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Plusieurs avancements technologiques sont à la base de la neurophotonique, une science qui utilise les propriétés de la lumière pour sonder le système nerveux. Le développement de plusieurs méthodes de détection optiques, la découverte des protéines fluorescentes, le développement de sondes moléculaires fluorescentes et l’avancement dans le domaine des modifications génétiques fournissent aux neurosciences des outils spécifiques pour l’étude du système nerveux et des différentes populations cellulaires qui le composent. Alors que ces techniques sont pleinement accessibles in vitro, les outils de détection in vivo demeurent limités. En effet, la microscopie est limitée aux couches superficielles du système nerveux et les systèmes endoscopiques sont relativement invasifs. L’objectif des travaux présentés dans le cadre de cette thèse est de fournir des outils de détection optique multifonctionnels pour la détection de fluorescence ou l’illumination in vivo qui pallient aux limitations des techniques couramment utilisées pour mesurer la fluorescence provenant de cellules du système nerveux ou encore contrôler (via les outils optogénétiques) l’activité neuronal à l’aide de stimuli optique in vivo. Cette thèse comprend en premier lieu une revue de littérature et certains aspects théoriques relatifs aux microsondes optiques et électriques. Par la suite, différents types de microsondes sont présentés. Un premier type a été fabriqué à l’aide d’une fibre optique étirée et d’une microélectrode « ion-sensitive » dans le but d’enregistrer les variations intracellulaires de la concentration de l’ion K+, qui jouent un rôle important pour le maintien du potentiel de membrane cellulaire et pour le niveau d’excitabilité neuronale. Ces sondes ont permis d’enregistrer, pour la première fois, les fluctuations de K+ intracellulaire pendant les crises d’épilepsie chez le chat anesthésié. Le deuxième type de sonde utilisé fut fabriqué à l’aide d’une fibre à deux cœurs, un cœur optique et un cœur creux servant d’électrode. Ces sondes ont permis d’enregistrer simultanément la concentration calcique intracellulaire et l’activité neuronale extracellulaire. Ces enregistrements ont permis de confirmer le caractère unicellulaire de la résolution de la sonde. Les travaux de cette thèse ont également servi à augmenter les propriétés multifonctionnelles des sondes optiques et électriques et à élargir la gamme d’expériences auxquelles elles peuvent s’adapter. Nos travaux ont montré que les sondes optiques pouvaient être utilisées avec un système de détection optique multispectrale et combiner plus d’un type d’enregistrement électrophysiologique en utilisant des couches métalliques conductrices. Il a également été montré qu’elles pouvaient être utilisées avec les outils optogénétiques pour contrôler le niveau d’activité neuronale. Les dépolarisations et hyperpolarisations photo-induites avec les sondes ont d’ailleurs permis de développer une nouvelle méthode de mesure permettant de mesurer les propriétés intrinsèques de la membrane neuronale à partir du milieu extracellulaire. / Neurophotonic, a science that uses light properties to probe the nervous system, relies on many technological advances. The development of optical detection methods, the discovery of fluorescent proteins, the development of fluorescent molecular probes and the advancement in the field of genetic modification provided neuroscientists specific tools to study the brain and the different cell populations that it includes. While these techniques are fully accessible in vitro, in vivo detection tools remain limited. Indeed, microscopy is limited to superficial layers of the nervous system or is relatively invasive (endoscopic systems). The objective of this thesis is to provide tools for in vivo fluorescence optical detection or light delivery that overcomes the limitations of commonly used techniques to measure fluorescence arising from neurons or glial cells or control (via optogenetic tools) cellular activity with optical stimuli in vivo. This thesis first review the optical detection techniques and list theoretical aspects related to optical microprobes. Subsequently, different developed types of microprobes are presented. One type that was developed combines a tapered optical fiber and an ion-sensitive microelectrode to record changes in intracellular K+ concentration, which plays an important role in maintaining cellular membrane potential and the neuronal excitability level. These probes allowed us to record for the first time intracellular K+ fluctuations during epileptic seizures in anesthetised cat. The second type of probe used in our work was fabricated from a dual core fiber integrating an optical core and a hollow core used as an electrode. Using the latter probe, we measured simultaneously intracellular Ca2+ fluctuations and extracellular neuronal activity and demonstrated their single-cell resolution capabilities. Our work also involved enhancing the microprobe multifunctional capabilities and the range of experiments that it can be adapted to. We demonstrated that optical microprobes could be used with a multispectral optical detection system and adapted to include thin metallic layers as secondary electrodes to record local field potentials. It was also shown that they could be used with optogenetics tools to control the level of neuronal activity. Finally, photo-induced currents generated with the probes were used to develop an innovative method to resolve intrinsic membrane properties of neurons from the extracellular medium.

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Il existe des différences individuelles importantes et durables dans l'ampleur de tous les aspects associés à la réponse au stress. Parmi les systèmes neuropepdidergiques, les opioïdes endogènes, enképhalines et dynorphines sont des cibles potentiellement impliquées dans l'apparition des variations naturelles et ainsi, pourraient être un déterminant des capacités individuelles d'adaptation au cours de l'exposition au stress chronique. Cette thèse a pour objectif d'étudier l'impact relatif des changements dans les systèmes enképhalinergiques et dynorphinergiques, dans des noyaux spécifiques du cerveau, causés par l'exposition au stress chronique social et imprévisible. Tout d'abord, nous avons examiné les réponses individuelles en réponse au stress chronique social et imprévisible et identifié les animaux résilients et vulnérables. Par la suite, nous avons quantifié par hybridation in situ les niveaux d'expression des enképhalines et dynorphines du cortex préfrontal, du striatum dorsal, du noyau accumbens et du complexe amygdalien, des régions du cerveau potentiellement impliquées dans la résilience au stress. Nous rapportons que la vulnérabilité au stress est corrélée, dans les deux modèles de stress chronique étudiés, à une diminution de l'expression des ENK dans la partie postérieur du noyau basolatéral de l'amygdale accompagnée d'une augmentation de l'expression des DYN dans le shell du noyau accumbens. Les animaux résilients ont quant à eux des niveaux d'expression inchangés comparés aux animaux témoins, non stressés. Ces études suggèrent ainsi que l'activation des systèmes enképhalinergiques favorise la résilience contrairement à l'activation des systèmes dynorphinergiques qui favorise les effets délétères du stress chronique. Dans le but d'étudier le rôle fonctionnel des enképhalines exprimés dans les noyaux basolatéral et central de l'amygdale, nous avons injecté localement un vecteur lentiviral induisant une baisse d'expression des enképhalines par la voie d'interférence à l'ARN et soumis les animaux à de multiples tests comportementaux qui mesurent certains aspects de la peur et de l'anxiété chez les rongeurs. Une diminution de l'expression des enképhalines dans le noyau basolatéral de l'amygdale induit une réponse comportementale similaire à celle observée chez les animaux vulnérables par opposition à la diminution de l'expression des enképhalines dans le noyau central de l'amygdale qui induit plutôt des effets anxiolytiques.

Les variations de sodium (Na+) extracellulaire sont, chez le rat, détectées par les neurones du noyau préoptique médian (MnPO) grâce à la présence des canaux NaX. Nous voulions tout d’abord étudier les propriétés électriques des neurones senseurs de Na+ du MnPO en réalisant des enregistrements électrophysiologiques. Nous démontrons une augmentation de l’excitabilité des senseurs de Na+ due probablement à une diminution des canaux responsables de l’adaptation de fréquence et une augmentation des canaux responsables de la rectification membranaire dépendante du temps. Comme notre laboratoire a démontré une modulation de l’excitabilité des senseurs de Na+ par le système des enképhalines (ENK) et des récepteurs aux opiacés de type mu (mu-OR) fonctionnels lors d’un déficit sodique aigü, nous voulions démontrer alors un renforcement de cette excitabilité neuronale lors de déplétions sodiques répétées. Nos résultats démontrent que des déplétions sodiques répétées induisent une désensibilisation des neurones senseurs de Na+ et de l’expression des canaux NaX. Toutefois, les senseurs de Na+ montrent une hyperexcitabilité en réponse à trois déficits en Na+ qui semble être modérée par la surexpression fonctionnelle des mu-OR . De ce fait, nous voulions déterminer les régions cérébrales qui libéraient les ENK au MnPO en y injectant un traceur rétrograde fluorescent. Nos données rapportent le noyau parabrachial et le noyau du tractus solitaire comme principales sources ENKergiques au MnPO; le noyau lit de la strie terminale et le noyau paraventriculaire comme sources ENKergiques modérées. Cette relâche d’ENK pourrait initier l’appétit pour le sel en réponse à un déficit sodique. Comme l’appétit pour le sel est un comportement motivé et que certaines études rapportent un renforcement de l’appétit pour le sel appelé sensibilisation au sel, nous voulions alors établir une corrélation entre expression des ENK et/ou des mu-OR dans le circuit de récompense et sensibilisation au sel. Nous montrons que la sensibilisation au sel n’est pas un phénomène universel chez les rats et que celle-ci est corrélée à une diminution de l’expression des mu-OR dans le pallidum ventral (VP). De plus, l’expression des mu-OR dans le VP est un requis essentiel à la mise en place de la sensibilisation au sel. / In rats, extracellular sodium (Na+) variations are detected by neurons in the median preoptic nucleus (MNPO) due to the presence of NaX channels. First, we wanted to determine the electrical properties of MnPO Na+ sensor neurons using electrophysiological recordings. We demonstrate an increase in the excitability of Na+ sensors, probably due to a decrease in ionic channels responsible for spike frequency adaptation and an increase in the ionic channels sustaining time-dependent membrane rectification. Since our laboratory demonstrated a modulation of Na+ sensors excitability by enkephalins (ENK) and mu-opioid receptors (mu-OR) system for an acute sodium deficit, so we wanted to demonstrate an enhancement in this neuronal excitability during repeated sodium depletion. Our results demonstrate that repeated sodium depletion induced desensitization of Na+ sensors and NaX channels expression. However, Na+ sensors show a hyperexcitability in response to three Na+ deficits that appears to be mitigated by the overexpression of functional mu-OR. Then, we wanted to determine the brain regions releasing ENK within the MNPO by injecting a fluorescent retrograde tracer. Our data report the parabrachial nucleus and the nucleus of solitary tract as the main ENK sources to MNPO; the bed nucleus of stria terminalis and the paraventricular nucleus as moderate ENK projections. This ENK release could initiate salt appetite in response to sodium deficit. Since salt appetite is a motivated behavior and some studies reported an enhanced salt appetite named salt sensitization, so we wanted to correlate ENK and/or mu-OR expression in reward circuit and salt sensitization. We show that salt sensitization is not a universal phenomenon in rats and that it is correlated with a decreased mu-OR expression in the ventral pallidum (VP). In addition, mu-OR expression in the VP is a fundamental requisite to the development of salt sensitization.

La synchronisation neuronale est inhérente au cerveau, ce qui permet aux neurones de se regrouper en réseau et de communiquer. Les oscillations indissociables aux états de vigilance tels le sommeil à ondes lentes, le sommeil paradoxal et l’éveil, mais aussi à l’état pathologique tel l’épilepsie émergent de la synchronisation d’un groupe de neurones. Plusieurs interactions neuronales influencent la synchronisation, soit la transmission chimique ou électrique, les variations ioniques et les interactions éphaptiques. Du point de vue cellulaire, la plasticité synaptique influence également la connectivité fonctionnelle des neurones. Dans cette thèse, le but est d’expliquer les impacts des rythmes du sommeil sur la connectivité fonctionnelle et les effets des changements ioniques sur la synchronisation neuronale et la connectivité fonctionnelle. Les états de vigilance sont impliqués dans la consolidation de la mémoire. Nous avons démontré que la présence des oscillations lentes et du patron de décharge des neurones pendant l’oscillation lente peuvent favoriser la facilitation synaptique à long terme, ce qui peut être un élément clé pour l’intégration de nouvelles connections synaptiques sous-adjacent à la consolidation de la mémoire pendant le sommeil. Au contraire, les activités synaptiques générées pendant l’éveil en présence d’acétylcholine favorise la facilitation à court-terme. Les mécanismes de passage de l’information sensorielle dans le thalamus pendant le sommeil sont inconnus. Nous avons démontré que le taux d’échec à une stimulation lemniscale est augmenté pendant les potentiels calciques et leur génération cause une diminution du calcium extracellulaire qui est suffisante pour influencer la transmission synaptique. Les potentiels calciques se produisent préférentiellement pendant le sommeil à ondes lentes, mais également sous forme de bouffées paroxystiques de potentiels d’action lors de l’épilepsie. Durant les crises épileptiques, l’activité paroxystique des neurones cause une diminution du calcium et une augmentation du potassium extracellulaire. Nous avons démontré que ces changements ioniques affectent la transmission synaptique en augmentant le taux d’échec à des réponses unitaires et en bloquant la transmission axonale d’un potentiel d’action, ce qui a pour effet de rompre la communication entre les neurones, de perturber leur synchronisation pendant les crises paroxystiques et de faciliter leur terminaison. / The neuronal synchronisation is an intrinsic phenomenon in the brain that allows neurons to be connected to the network to communicate. Oscillations inherent of the states of vigilance such as the slow-wave sleep, the REM sleep, and waking state or pathological conditions such as epilepsy emerge from the network synchronisation of a group of neurons. Several interactions influence the synchronization: the chemical or electrical transmission, the ionic variations, and the ephaptic interactions. At cellular level, the synaptic plasticity also influences the functional connectivity of neurons. In this thesis, I aim to explain the impact of sleep rhythms on the functional connectivity and the effects of ionic variations on the neuronal synchrony and the functional connectivity. States of vigilance implicated in the memory consolidation. We demonstrated that the presence of slow oscillations and the spiking pattern during slow-wave sleep favours the long-term synaptic facilitation, which could be a key element for the sleep-dependent reinforcement of synaptic efficacy contributing to memory consolidation. By contrast synaptic activities generated during waking state in a conditions of increased level acetylcholine favour short-term facilitation. Sleep allows also the brain to disrupt partially the communication with the environment. The accepted model is that the thalamus provides gating of sensory information during sleep, but the exact mechanisms of that gating are unknown. We demonstrated that the failure rate to a lemniscal stimulation is increased during the thalamic Ca2+ spike bursts and the generation of those Ca2+ spikes cause a depletion of the extracellular calcium which is sufficient to reduce the synaptic efficacy. Bursts of action potential occur preferentially during slow-wave sleep, but also in the pathological form of paroxysmal depolarization shift during the generation of cortical epileptic seizures. During seizures, the paroxysmal neuronal activity causes a decrease of extracellular Ca2+ and an increase of extracellular potassium. We demonstrated that those ionic variations affect the synaptic transmission by increasing the failure rate of unitary responses at a synapse and by blocking the axonal transmission of action potentials, which disrupts the neuronal communication between neurons, facilitating seizure termination.

Les douleurs neuropathiques sont une maladie qui a une forte prévalence dans notre société et malgré ceci leurs traitements sont généralement décevants. La cause principale de l’échec de notre pharmacologie moderne dans ce domaine est notre manque de connaissances sur le fonctionnement du système douloureux. Dans cette thèse, je me suis concentré sur un aspect de cette lacune : comment l’information nociceptive est-elle encodée par la moelle épinière avant d’être relayée au cerveau et comment cet encodage est-il altéré dans les douleurs neuropathiques ? Nos résultats démontrent qu’il y a deux types de neurones de projection spinothalamique (STT) qui encodent l’information nociceptive: les « wide dynamic range » (WDR) et les nociceptifs spécifiques (NS). Suite au développement des douleurs neuropathiques, seul le seuil d’activation des NS est altéré. Grâce à cette caractérisation, il est possible de tester plusieurs pharmacologies afin de cibler les mécanismes potentiellement impliqués dans le développement des douleurs neuropathiques. Nous avons démontré que lorsque l’on bloque les canaux GABAA et/ou glycine, on génère une diminution du seuil d’activation des NS-STT. Ces résultats confirment donc la participation de ces deux mécanismes inhibiteurs dans le développement de la pathologie. À l’inverse, nous avons aussi démontré que l’utilisation d’un nouveau composé, le CLP 257 (un activateur du KCC2), pouvait renverser l’hypersensibilisation dans notre modèle de douleurs neuropathiques en ramenant le seuil d’activation des NS à des valeurs physiologiques. Une autre avenue de traitement intéressante serait de cibler directement les NS de projection et de normaliser leur réponse plutôt que de tenter de décortiquer chacun des changements survenant dans la moelle. Par contre, pour ce faire, il nous faut les identifier et déterminer s’ils ont des cibles pharmacologiques qui leur sont spécifiques. Certains outils doivent donc être mis en place. Nous avons créé une microsonde permettant de photoconvertir un marqueur fluorescent dans les cellules enregistrées pour les retrouver à postériori. L’ensemble des résultats de cette thèse améliore notre compréhension du système douloureux, oriente les recherches futures sur le traitement des douleurs chroniques et apporte de nouvelles technologies de recherche. / Neuropathic pain is a disease with a high prevalence in our society and despite this our treatments are generally disappointing at best. One of the main causes of the failure of our modern pharmacology for this treatment is our lack of understanding of how the pain system works. In this thesis I focused on one of these gaps: how nociceptive information is encoded by the spinal cord before being relayed to the brain and how this encoding is altered in neuropathic pain? Our results show that there are two types of projection neurons spinothalamic (STT) that encode nociceptive information: the wide dynamic range (WDR) and nociceptive specific (NS). Following the development of neuropathic pain only the activation threshold of the NS is altered. With this characterization, it is possible to test several drugs to target potential mechanisms involved in the development of neuropathic pain. We have demonstrated that the block of GABAA and/or glycine inhibitory channels decrease the activation threshold of NS-STT. These results confirm the involvement of these two inhibitory mechanisms in the development of this disease. On the other hand we have also demonstrated that the use of a new compound named CLP 257, an activator of KCC2, could reverse the hypersensitivity in our model of neuropathic pain by reducing the activation threshold of the NS-STT to physiological values. Another potential avenue of treatment, rather than trying to dissect each change in the spinal cord, would be to directly target NS-STT and normalize their response. To do so, we must first identify them and determine if they have specific pharmacological targets and to do this some tools had to be developed. For this reason among others, we have created a microprobe which allows us to photoswitch fluorescently labeled cells after their electrophysiological recording to recover them afterwards. The overall results of this thesis improve our understanding of the pain system, direct future research on the treatment of chronic pain and bring new research technologies.

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