La sclérose latérale amyotrophique [SLA] est une pathologie idiopathique à issue fatale caractérisée par la dégénérescence progressive et sélective des motoneurones du système nerveux central et périphérique. La SLA n’est pas exclusivement identifiée comme une maladie de la voie pyramidale, mais considérée plus largement comme une pathologie neurodégénérative multisystème. L’étude des mécanismes posturaux dans cette population n’a pas fait l’objet d’une grande attention. Dans ce travail de thèse, une exploration en imagerie cérébrale multimodale (imagerie en tenseur de diffusion [DTI] et morphométrie basée sur le voxel [VBM]) est proposée chez des patients SLA avec instabilité posturale [AIP] et stables [SIP] en vue de vérifier l’intégrité morphologique et structurelle des régions corticales et sous-corticales posturales. La comparaison entre les sujets contrôles et les patients SLA a démontré une augmentation significative du volume de la substance grise au niveau du noyau caudé chez les patients stables (SIP vs contrôle p<0,001 ; SIP vs AIP p<0,01). L’évaluation structurelle a révélé une diminution de la fraction d’anisotropie [FA] au niveau de l’aire motrice supplémentaire [AMS] dans les deux groupes de patients par rapport aux contrôles (contrôle vs SIP p<0,05 ; contrôle vs AIP p<0,001). Au niveau du noyau caudé, le groupe AIP a présenté une diminution de la valeur de la FA par rapport aux sujets contrôles (p<0,001) et aux sujets SIP (p<0,05). Ainsi, ces résultats contribuent à une meilleure caractérisation et compréhension des atteintes corticales et sous corticales des régions qui interviennent dans la posture chez les patients SLA. / The Amyotrophic Lateral Sclerosis [ALS] is an idiopathic pathology with a fatal outcome. It is characterized by a progressive and selective degeneration of motor neurons in the central and peripheral nervous system. ALS is no longer exclusively identified as a disease of the pyramidal pathway, but it is considered more broadly as multisystem neurodegenerative pathology. However, the analysis of postural processes in these patients has not been well studied in the literature. Multimodal brain imaging (Diffusion Tensor Imaging [DTI] and Voxel Based Morphometry [VBM]) exploration was performed for ALS patients with postural instability [AIP] and without postural instability [SIP] to test the morphometric and structural integrity of postural cortical and subcortical regions. A significant increase of gray matter in caudate nucleus volume has been noticed for stable patients (SIP vs controls p<0.001, SIP vs AIP p<0.01). The structural evaluation revealed a decrease of the Fractional Anisotropy [FA] at the Supplementary Motor Area [SMA] level in both groups of patients compared to controls (controls vs SIP p<0.05, controls vs. AIP p<0.001). At the caudate nucleus, the AIP group showed FA value decrease compared to controls (p<0.001) and SIP subjects (p<0.05). Thus, these results would contribute to a better characterization and understanding of the cortical and subcortical impairments of the postural regions in ALS patients.

Les récepteurs opioïde delta (DORs) sont des récepteurs couplés aux protéines G et sont fortement exprimés au niveau du bulbe olfactif, du cortex, du striatum, du noyau basolateral de l'amygdala et des noyaux du pons (Mansour et al., 1995; Le Merrer et al., 2009). Les souris mutantes de première génération (souris knockout, délétion totale du gène) ont déjà permis de démontrer que DOR joue un rôle critique dans le contrôle de la douleur chronique (Gavériaux-Ruff et al., 2011), la régulation de l’activité motrice et des réponses émotionnelles (Filliol et al ., 2000) et l’association drogue-contexte (Le Merrer et al., 2011). Le but de notre étude est d’identifier les circuits neuronaux dans lesquels les DORs contrôlent les processus émotionnels et cognitifs. Nous avons développé une lignée de souris de deuxième génération, dans laquelle les récepteurs sont supprimés spécifiquement dans les neurones GABAergiques du cerveau antérieur. Nous avons ensuite étudié le rôle des DORs exprimés par ces neurones dans les réponses émotionnelles, locomotrices et la sensibilité aux crises épileptiques. / Delta opioid receptors (DORs) are G-protein coupled receptors belonging to the opioid system, which play a central role in chronic pain and emotional responses. DORs are strongly expressed in olfactory bulb, cortex, striatum, basolateral nucleus of the amygdala and pons nuclei. Using constitutive gene knockout, we have previously demonstrated the role of DORs in reducingchronic pain (Gaveriaux-Ruff, Nozaki et al. 2011), anxiety-related behaviors and impulsivity(Olmstead,Ouagazzal et al. 2009), regulating locomotor activity (Filliol, Ghozland et al. 2000) and facilitating context learning (Le Merrer, Faget et al. 2012; Le Merrer, Rezai et al. 2013), Although these functions are well-established, neuronal networks and mechanisms underlying DOR-regulated behaviors remain poorly understood. The aim of this thesis work was to identify neuronal populations and brain circuits that support DOR functions. Recent evidence showed that DOR is highly expressed in GABAergic neurons (Scherrer et al.. 2006;Erbs et al., 2012; Rezai et al.. 2012). We therefore developed a conditional knockout mouse line (Dlx-DOR)by breeding floxed DOR gene (Oprd1) with a transgenic Dlx-5/6-Cre mouse line (Monorv et al., 2006) in order to produce a specific deletion of DOR in GABAergic neurons of the forebrain. We first determined brain distribution of delta receptors in Dlx-DOR at mRNA and protein levels. Then, behavioral analysis were performed to assess whether DORs expressed in forebrain GABAergic neurons contribute to the regulation of emotional contrai, locomotor activity as well as epileptogenic effect of SNC80, the prototypal DOR agonist. Finally, we initiated a project focused on DORs detected at the level of BLA.

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Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière. / Recent studies have shown that the caudate nucleus interacts with the prefrontal cortex, and that it is involved in executive processes. The goal of the thesis was to investigate the role of the caudate nucleus in executive processes, and to observe how the frontostriatal regions are interacting with the default mode network (DMN). Firstly, we studied the role of the caudate nucleus in self-ordered monitoring, which consist of keeping track of which stimuli have been selected and which remains to be selected, and externally-triggered monitoring, which refers to keeping track of one’s selection when an external source is performing the selection. It has been shown that de dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was particularly involved in both types of monitoring. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), a significant increase of activity has been observed in the DLPFC during both monitoring conditions vs control condition. Importantly, significant increased activity in the caudate nucleus was observed only in subtractions involving self-ordered monitoring (the self-ordered vs control and self-ordered vs externally-triggered conditions). Secondly, previous studies have shown a specific contribution of frontostriatal regions during set-shifting. However, the effect of set-shifting on subsequent trials had yet to be determined. Using fMRI, significant increase of activity was observed in the ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) and the caudate nucleus during shifting trials versus control and in trials where the same rule was applied for a few trials before a set-shift occurred. However, no frontostriatal activity was observed when the same rule was applied for a longer period. Decreased activity in the caudate nucleus correlated with increasing trial position in trials where no set-shift occurred, suggesting that the more a rule is executed, the better it is established. Finally, several studies have shown a deactivation of the DMN during the execution of a goal-directed task. Using fMRI, we hypothesized that the DMN was negatively correlated with the frontostriatal regions during the execution of a set-shifting task. Our results showed a significant increase of activity in the frontostriatal regions as more set-shifts are being performed while the DMN gets more deactivated. Interestingly, as decreased activity was observed in the frontostriatal regions during the execution of the same rule for a long period, the DMN showed increasing activity. We concluded that the caudate nucleus is specifically involved during the planning of a novel action when several possibilities are available at the same time. Finally, the DMN shows a negative correlation with the frontostriatal regions suggesting its contribution to the execution of a more familiar task.

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Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière. / Recent studies have shown that the caudate nucleus interacts with the prefrontal cortex, and that it is involved in executive processes. The goal of the thesis was to investigate the role of the caudate nucleus in executive processes, and to observe how the frontostriatal regions are interacting with the default mode network (DMN). Firstly, we studied the role of the caudate nucleus in self-ordered monitoring, which consist of keeping track of which stimuli have been selected and which remains to be selected, and externally-triggered monitoring, which refers to keeping track of one’s selection when an external source is performing the selection. It has been shown that de dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was particularly involved in both types of monitoring. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), a significant increase of activity has been observed in the DLPFC during both monitoring conditions vs control condition. Importantly, significant increased activity in the caudate nucleus was observed only in subtractions involving self-ordered monitoring (the self-ordered vs control and self-ordered vs externally-triggered conditions). Secondly, previous studies have shown a specific contribution of frontostriatal regions during set-shifting. However, the effect of set-shifting on subsequent trials had yet to be determined. Using fMRI, significant increase of activity was observed in the ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) and the caudate nucleus during shifting trials versus control and in trials where the same rule was applied for a few trials before a set-shift occurred. However, no frontostriatal activity was observed when the same rule was applied for a longer period. Decreased activity in the caudate nucleus correlated with increasing trial position in trials where no set-shift occurred, suggesting that the more a rule is executed, the better it is established. Finally, several studies have shown a deactivation of the DMN during the execution of a goal-directed task. Using fMRI, we hypothesized that the DMN was negatively correlated with the frontostriatal regions during the execution of a set-shifting task. Our results showed a significant increase of activity in the frontostriatal regions as more set-shifts are being performed while the DMN gets more deactivated. Interestingly, as decreased activity was observed in the frontostriatal regions during the execution of the same rule for a long period, the DMN showed increasing activity. We concluded that the caudate nucleus is specifically involved during the planning of a novel action when several possibilities are available at the same time. Finally, the DMN shows a negative correlation with the frontostriatal regions suggesting its contribution to the execution of a more familiar task.

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