Tübingen, Univ., Diss., 2006.

Zugl.: Magdeburg, University, Diss., 2008.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2009

Diplomarbeit Hochschule für Angewandte Psychologie Zürich, 2007.

Diplomarbeit Hochschule für Angewandte Psychologie Zürich, 2007.

L'épilepsie affecte des millions de patients dans le monde. Les traitements disponibles sont symptomatiques, ils per récepteur mGlu7 du glutamate dans la modulation non seulement de l’excitabilité, mais également de l'hypersynchronisation des réseaux de neurones, deux facteurs cruciaux dans les crises d'épilepsie. J'ai parachevé ces découvertes qui ont été à l’origine d’une première publication (Tassin, Girard et al. 2016).A l’aide d’un nouvel agoniste du récepteur mGlu7, le LSP2-9166, lors de ma thèse j'ai ensuite étudié l’impact de ce récepteur dans différents modèles d’épilepsie chez la souris. Deux modèles complémentaires ont été utilisés : le kindling (embrasement), modèle chimique induit par le pentylènetétrazol (PTZ) qui sensibilise le cerveau jusqu’à générer des crises tonico-cloniques généralisées, et l’injection intra-hippocampique de kainate, mimant l’épilepsie mésiale du lobe temporal chez l'homme.Dans un premier temps j'ai observé une atténuation de la progression de la sévérité des crises dans le modèle de kindling au PTZ, sous l’activation du récepteur mGlu7. Cet effet a été corrélé à une inflammation, et une activation microgliale et astrocytaire plus faibles. Dans le modèle d’injection intra-hippocampique de KA, considéré comme pharmaco-résistant, l’activation du récepteur mGlu7 pendant la période d’épileptogenèse a augmenté la durée des périodes interictales et diminué la durée des crises ainsi que la réorganisation neuronale. Une fois les crises chroniques installées, l’activation aigu du récepteur mGlu7 a diminué le nombre de crises aussi fortement que le diazépam couramment utilisé dans le cadre clinique. Pour finir, des injections chroniques de LSP2-9166 chez des animaux naïfs (non épileptiques) n’engendrent pas de déficit cognitif ou comportemental détectables, ni de modification du niveau d’ARNm du récepteur mGlu7. L’activation du récepteur mGlu7 offre donc une cible stratégique dans nos deux modèles.Ces travaux permettent une meilleurmettent de traiter les crises sans pour autant éviter la progression de la maladie et présentent de lourds effets secondaires. La découverte de nouvelles cibles thérapeutiques et de nouveaux composés reste primordiale pour dépasser les limites des stratégies thérapeutiques actuelles. Au début de ma thèse, des études précédentes avaient montré une implication due compréhension du rôle du récepteur mGlu7 dans l’épileptogenèse. Ils participent ainsi à la recherche de futurs traitements. antiépileptiques adéquats. / Epilepsy affects millions of patients worldwide. The available treatments are symptomatic, they treat seizures without preventing the progression of the disease and have heavy side effects. The discovery of new therapeutic targets and new compounds is therefore essential to overcome the limitations of current therapeutic strategies. Previous studies have demonstrated substantial involvement of the mGlu7 receptor in modulating not only excitability but also hypersynchronization of neural networks, two crucial factors affecting epileptic seizures. These discoveries were at the origin of a first publication that I completed at the beginning of my thesis (Tassin, Girard et al., 2016).Using a new mGlu7 receptor agonist, LSP2-9166, in my thesis I then studied the impact of this receptor in different epilepsy models in mice. Two complementary models were used: kindling, a chemical model induced by pentylenetetrazol (PTZ) which sensitizes the brain to induce generalized tonic-clonic seizures, and intra-hippocampal injection of kainate, mimicking mesial temporal lobe epilepsy in humans.At first, I observed an attenuation of the progression of the seizures severity in the PTZ kindling model, under the activation of the mGlu7 receptor. This effect was correlated with weaker inflammation, and microglial and astrocytic activation. In the intra-hippocampal injection model of KA, considered as drug-resistant, activation of the mGlu7 receptor during the epileptogenesis period increased the duration of interictal periods and decreased the duration of seizures as well as neuronal reorganization. Once chronic seizures were established, acute activation of the mGlu7 receptor decreased the number of seizures as strongly as diazepam, commonly used in clinical settings. Finally, chronic injections of LSP2-9166 into naive (non epileptic) animals do not generate any detectable cognitive or behavioral deficits or changes in mGlu7 receptor mRNA level. The activation of the mGlu7 receptor thus presents a strategic target in our two models.This work provides a better understanding of the role of the mGlu7 receptor in epileptogenesis. It participates in the search for future more adequate treatments.

L’addiction se caractérise par une recherche et une consommation pathologiques de la drogue, maintenues malgré leurs conséquences néfastes. C’est une pathologie chronique car, le plus souvent, les tentatives de sevrage se soldent par une rechute. L’addiction à la cocaïne se développe chez 15 à 20 % des usagers, après un usage plus ou moins prolongé. Les solutions thérapeutiques font gravement défaut et c’est un enjeu que de comprendre les mécanismes neurobiologiques qui sous-tendent cette addiction. Les études cliniques et précliniques proposent que l’addiction résulte d’un déséquilibre entre les circuits cortico-subcorticaux qui gèrent la valeur motivationnelle de la drogue et ceux qui sont impliqués dans le contrôle cognitif inhibiteur. Des changements séquentiels dans des circuits interconnectés qui incluent notamment le noyau basolatéral de l’amygdale, le noyau accumbens et le cortex préfrontal seraient au cœur de processus motivationnels pathologiques et d’une difficulté à inhiber le craving et la consommation. L’étude de l’addiction, à l’échelle des circuits neuronaux, fait face à plusieurs défis. Techniquement limitée chez l’homme, elle peut bénéficier des modèles animaux, mais seulement s’ils capturent des dimensions de la pathologie. Au cours des dix dernières années, de tels modèles ont été mis en œuvre, mais exclusivement chez le rat. Or, les outils pour l’exploration fonctionnelle fine des circuits neuronaux ont été majoritairement développés chez la souris. Un autre défi consiste à pouvoir questionner la fonctionnalité des circuits, en temps réel, sur l’individu se comportant. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif : 1. L’étude de marqueurs de connectivité fonctionnelle chez des rats Addict et des rats Non-addict à la cocaïne. Notre modèle d’addiction à la cocaïne permet d’identifier 15 à 20 % de rats qui, après une période prolongée d’autoadministration intraveineuse de cocaïne, et bien qu’ils aient consommé la même quantité de cocaïne que les autres, montrent une très forte motivation pour la substance, une difficulté à limiter la recherche de drogue, et maintiennent la prise de cocaïne malgré ses conséquences néfastes. L’électrophysiologie in vivo, multi-site, au moyen d’enregistrements unitaires ou de potentiels de champs locaux est un outil de choix pour l’exploration de la connectivité fonctionnelle chez le rongeur. Un défi technique a été de l’adapter pour la coupler à notre modèle d’addiction à la cocaïne chez le rat. Nous avons montré des différences significatives de connectivité fonctionnelle entre rats Addict et Non-addict, suggérant un défaut de fonctionnalité du cortex préfrontal médian (PFM) chez les Addict. 2. L’étude du rôle du cortex prélimbique (PL) dans le contrôle du comportement d’autoadministration de cocaïne chez le rat. Des données récentes de la littérature remettent en cause le dogme selon lequel le PL exerce exclusivement un rôle facilitateur sur les propriétés motivationnelles de la cocaïne. Nous avons cherché à clarifier le rôle du PL dans le comportement d’autoadministration de cocaïne avant que ne se développe une addiction : comprendre son rôle dans l’usage précoce de cocaïne pour, à terme, étudier l’évolution de son implication selon que l’individu développe ou non une addiction. Nous avons montré que l’inactivation du PL peut s’accompagner, chez le même individu, d’une diminution ou d’une exacerbation du comportement de recherche de cocaïne selon les contingences expérimentales. Les neurones du PL émettent des projections vers plusieurs structures. Pour étudier leur rôle dans les effets comportementaux observés, nous avons travaillé à la mise au point d’outils optogénétiques pour la manipulation de l’activité de voies neuronales spécifiques, chez le rat, pour lequel ils sont encore très peu développés. Mes travaux de thèse contribuent tant sur le plan théorique que technique à la compréhension des mécanismes psychobiologiques de l’addiction à la cocaïne. / Drug addiction is characterized by pathological drug seeking and taking, maintained despite their negative consequences. This is a chronic pathology, withdrawal attempts being unsuccessful in most cases. Cocaine addiction develops in about 15 to 20 % of habitual users. For cocaine, therapeutic options are lacking, which could be explained by the relatively poor understanding of the neurobiological mechanisms underlying cocaine addiction to date. Clinical and preclinical studies propose that addiction results from an imbalance between the cortical-subcortical circuits that process motivational value of drug-related stimuli versus those involved in cognitive inhibitory control. Hierarchical sequential changes in distinct, but interconnected circuits, including the basolateral amygdala, the nucleus accumbens and the prefrontal cortex could be at the core of pathological incentive processes and difficulty to control craving and drug taking. Studying addiction at the neuronal circuit level faces many challenges. Technically limited in humans, it can benefit from animal models, but only if they properly capture dimensions of the pathology. Over the last ten years, such models have been developed, but exclusively in rats. However, tools for a refined functional exploration of neuronal circuits have been established mostly in mice, and until recently they have begun to be explored in rats. In addition, another main challenge is the ability to investigate functional connectivity in real time in behaving animals. My thesis work had two objectives: 1. Studying markers of functional connectivity in rats showing a cocaine addiction-like behavior (Addict) or not (Non-addict). Our model of cocaine addiction allows identifying 15-20% of rats that show a high motivation for cocaine, a difficulty to limit drug seeking and that maintain drug taking despite negative consequences. These extreme behaviors occur after prolonged cocaine self-administration and despite that these rats have used a comparable amount of cocaine as compared to the others. In vivo, multi-site electrophysiology recordings, applied to single units or local field potentials, is a tool of choice for studying functional connectivity in rodents. A technical challenge has been to adapt and couple it to our model of cocaine addiction in the rat. We have evidenced significant differences in connectivity between Addict and Non-addict rats, which suggest a default of functionality of the medial prefrontal cortex in the Addict rats. 2. Studying the role of the prelimbic cortex (PL) in cocaine self-administration behavior in the rat. The canonical role of the PL in exclusively promoting drug seeking was recently questioned, with studies involving it also in inhibition of drug seeking. Our first goal was to clarify this role of the PL in early cocaine self-administration, i.e. before addiction-like behavior develops: understanding its early role to eventually compare it to its late role and whether an addiction-like behavior develops or not. We have shown that optogenetic PL inactivation can decrease or increase cocaine seeking in the same individual, according to experimental contingencies. PL neurons project to several remote structures. To study the role of these different neuronal pathways, we have worked in establishing optogenetic tools for the manipulation of specific neuronal pathways, in the rat, for which they are still poorly developed. My thesis work contribute, both theoretically and technically, to the understanding of the psychobiology of cocaine addiction.

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.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le but de la science des réseaux est de modéliser les systèmes complexes et d'expliquer leurs propriétés émergentes, telles que la propagation d'épidémies ou la formation de la mémoire dans le cerveau. Cependant, ces systèmes complexes peuvent parfois atteindre des tailles immenses, rendant leur étude difficile. La théorie spectrale des graphes est un outil majeur dans l'étude de tels réseaux, car les valeurs propres d'un réseau sont relativement faciles à calculer en plus de nous renseigner sur sa structure globale et sa dynamique à grande échelle. L'objectif de ce projet de maîtrise était d'analyser l'effet de propriétés structurelles, souvent négligées, présentes dans les réseaux de neurones sur le spectre des graphes qui leur sont associés. Plus spécifiquement, les propriétés étudiées sont la directionnalité, l'inhibition, le principe de Dale et la densité. Pour cela, différentes techniques de théorie des graphes ont été utilisées afin de créer des graphes aléatoires respectant les propriétés étudiées. Ensuite, une analyse spectrale approfondie de ces graphes aléatoires a été réalisée afin de déterminer l'effet des propriétés structurelles des réseaux de neurones sur leur spectre. On a d'abord abordé le problème à l'aide des théories mathématiques existantes, mais les calculs analytiques se sont avérés ardus et moins instructifs que prévu. Afin de combler ces lacunes, une analyse numérique a été réalisée. L'effet majeur provoqué par les propriétés structurelles étudiées est la présence d'une transition dans le spectre. La distribution de la valeur propre ayant la plus grande norme passe d'une distribution réelle à une distribution complexe pour ensuite revenir à une distribution réelle en fonction de la fraction d'inhibiteurs dans le réseau. La distribution changeante de la valeur propre dominante a alors été caractérisée numériquement, ce qui a permis l'identification et l'analyse de nombreuses autres propriétés empiriques. La transition dans le spectre, étant particulièrement significative dans les réseaux de taille finie, a donc une grande influence sur le comportement des réseaux de neurones et est directement influencée par les propriétés structurelles introduites. / The goal of network science is to model complex systems and explain their emergent properties, such as epidemic spreading or memory formation in the brain. However, these complex systems can sometimes reach immense sizes, making their study challenging. Graph spectral theory is a significant tool in the investigation of such networks, as the eigenvalues of a network are relatively easy to compute and provide insights into its overall structure and large-scale dynamics. The objective of this master's project was to analyze the effect of often overlooked structural properties present in neural networks on the spectrum of the associated graphs. More specifically, the studied properties include directionality, inhibition, Dale's principle, and density. To achieve this, various graph theory techniques were employed to generate random graphs that adhere to the studied properties. Subsequently, an in-depth spectral analysis of these random graphs was conducted to determine the impact of the structural properties of neural networks on their spectrum. Initially, the problem was approached using existing mathematical theories, but the analytical calculations proved to be challenging and less informative than anticipated. To address these gaps, a numerical analysis was performed. The major effect induced by the studied structural properties is the presence of a transition in the spectrum. The distribution of the eigenvalue with the largest norm transitions from a real distribution to a complex distribution, and then returns to a real distribution based on the fraction of inhibitors in the network. The changing distribution of the dominant eigenvalue was numerically characterized, wich enabled the empirical observation and analysis of many other properties. The spectrum transition, particularly significant in networks of finite size, thus has a substantial influence on the behavior of neural networks and is directly influenced by the introduced structural properties.

De nouvelles preuves suggèrent que les dysfonctionnements des circuits sous-jacents aux symptômes et aux déficits cognitifs des maladies psychiatriques pourraient être causés par une altération des paramètres d'équilibre d’excitation/inhibition (E/I). Cependant, les preuves physiologiques directes de cette hypothèse à partir de données électrophysiologiques et de neuro-imagerie non invasives sont jusqu'à présent rares. Pour apporter un soutien supplémentaire à l’hypothèse de l’équilibre E/I, la présente étude a appliqué une approche avancée de microscopie holographique numérique (MHN) pour examiner la dynamique des systèmes excitateurs/inhibiteurs suite à une stimulation glutamatergique dans des réseaux de neurones à différents stades de maturation neuronale. Cette approche fournissant une mesure approximative très précise des variations de mouvement de l’eau dans les cellules permet d’étudier certains processus physiologiques, tels que ceux reliés à l’activité neuronale. Cette étude a ainsi permis d’améliorer les connaissances sur la dynamique de la réponse neuronale induite par le glutamate, notamment en la caractérisant dans des cultures de neurones corticaux primaires de rats postnataux. L’activation des neurones engendrée par le glutamate, le principal neurotransmetteur excitateur, a révélé des changements plus ou moins persistants de la morphologie et des propriétés intracellulaires des neurones. De plus, les différentes réponses obtenues indiquent que le glutamate engendre des mécanismes d’activation et des processus de régulation du volume neuronal distincts d’un neurone à l’autre, probablement dépendant de l’état d’excitabilité de ce dernier qui résulte de l’interaction complexe des neurones inhibiteurs et excitateurs. Ainsi, la régulation de l’équilibre E/I de réseaux neuronaux pourrait potentiellement être reflétée par la proportion des différentes réponses de phase induites lors de stimulation de réseaux neuronaux au glutamate. / New evidences suggest that circuit dysfunctions underlying symptoms and cognitive deficits of psychiatric disorders may be caused by impaired excitation/inhibition equilibrium parameters (E/I). However, direct physiological evidences supporting this hypothesis from non-invasive electrophysiological and neuroimaging remain scarce. To provide additional support concerning the E/I balance hypothesis, this study uses an advanced digital holographic microscopy (DHM) approach to explore the dynamics of excitatory/inhibitory systems following glutamatergic stimulation in neural networks at different stages of neuronal maturation. This approach provides a very accurate approximate measurement of the water movement variations in cells allowing to study certain specific physiological processes, such as those related to neuronal activity. This study improves the knowledge regarding the dynamics of the glutamate-induced neuronal response, especially by characterizing it in cultures of primary cortical neurons of postnatal rats. The activation of neurons induced by glutamate, which is the main excitatory neurotransmitter, revealed more or less permanent changes in the morphology and intracellular properties of neurons. Moreover, the various responses obtained indicate that glutamate generates different neuronal activation mechanisms and neuronal volume regulation processes from a neuron to another, probably depending to the excitability state of the neuron that results from the complex interaction of inhibitory and excitatory neurons. Thus, the E/I balance regulation of neural networks could potentially be reflected by the proportion of different phase responses induced during glutamate neural network stimulation.