Les circuits neuronaux des noyaux de la base sont impliqués dans la planification et la sélection des mouvements, dans des processus motivationnels et de renforcement, mais aussi dans des fonctions plus cognitives telles que les processus d’apprentissages instrumentaux. Le dysfonctionnement de ces noyaux entraîne des troubles moteurs graves, telles les maladies de Parkinson et Huntington, et des pathologies plus psychiatriques, comme les phénomènes de dépendances aux drogues, le syndrome Gilles de la Tourette ou encore les troubles déficitaires de l’attention avec hyperactivité. Le striatum, structure d’entrée du système des noyaux de la base, est composé en large majorité de neurones de projections GABAergiques épineux de taille moyenne (medium spiny neuron, MSN), qui sont subdivisés en deux populations: les neurones striatonigraux et les neurones striatopallidaux. Ces neurones forment des voies fonctionnelles parallèles et distinctes :celles ci prennent naissance au niveau du striatum après réception de l’information émanant du cortex, puis traversent les autres ganglions de la base (Globus Pallidus, Noyau sous-thalamique, Substance noire), qui ensuite aboutissent sur le thalamus qui retourne l’information traitée aux différentes aires corticales concernées. Ces neurones de projections sont morphologiquement identiques et distribués de manière homogène dans l’ensemble du striatum, rendant difficile leur étude spécifique sans outils génétiques.Dans ce travail, nous avons étudié les rôles respectifs de ces deux populations neuronales dans l’apprentissage instrumental séquentiel par une approche optogénétique. Cette technique permet de contrôler optiquement, à une échelle de temps physiologique et de façon réversible, l’activité d’une population de neurones génétiquement ciblée pendant un comportement. Dans un premier temps, nous avons développé des modèles de souris dans lesquelles chacune de ces deux populations est spécifiquement ciblée au moyen du système Cre/LoxP et à l’aide d’injection stéréotaxique de vecteurs viraux permettant l’expression de canaux photosensibles, comme la Channelrhodopsine-2 (ChR2). Une validation de la fonctionnalité de cette protéine dans ces modèles a d’abord été établie ex vivo par des moyens électrophysiologiques (enregistrement de l’activité des neurones sur tranche de cerveau en survie), puis in vivo, par induction d’un comportement rotatoire caractéristique de l’activation unilatérale de ces populations neuronales.Dans un second temps, ces souris ont été étudiées dans un paradigme comportemental lié au striatum dorsal :l’apprentissage instrumental séquentiel. En effet, l’exécution d’une séquence d’actions dans un ordre bien déterminé est fondamentale pour adopter un comportement adapté. Au cours de l’acquisition d’une nouvelle séquence, chacune de ces deux populations de neurones est activée par optogénétique afin de déterminer leur effet dans cet apprentissage. Nous nous sommes particulièrement intéressés à ces neurones dans le striatum dorsolatéral (DLS), car cette région joue un rôle fondamental dans la formation d’une habitude, et plus particulièrement lors d’un apprentissage séquentiel. Ce travail a pu mettre en évidence l’importante implication respective de ces neurones du DLS lors de l’acquisition d’une séquence puisque nous avons montré que l’activation des neurones striatonigraux facilitait l’apprentissage d’une nouvelle séquence, alors que l’activation des neurones striatopallidaux perturbe cet apprentissage. De plus, nos résultats indiquent que la stimulation optogénétique des neurones striatopallidaux entraîne un déficit à différencier et à associer des actions pour former une unité performante, tandis que l’activation des neurones striatonigraux semble fondamentale pour initier et terminer correctement une séquence. Ces résultats contribuent ainsi à la compréhension du rôle des deux voies principales du striatum dorsolatéral lors d’un apprentissage instrumental séquentiel. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les récepteurs canaux P2X, sélectifs des cations, sont activés par l'ATP extracellulaire. Les récepteurs P2X remplissent de nombreux rôles physiologiques allant de la nociception à la neuromodulation. L'étude du rôle physiopathologique de ces récepteurs souffre d'un manque d'outils pharmacologiques sélectifs. L'optogénétique pharmacologique serait une méthode pour palier ce manque. Mes travaux se divisent en deux parties, l'une concernant l'étude structurale des récepteurs P2X et l'autre présentant le développement d'outils optogénétiques chimiques pour contrôler l'activité des récepteurs P2X. Dans une première série d'expériences nous avons identifié le site de liaison de l'ATP par marquage d'affinité dirigé à l'aide d'un analogue de l'ATP thiol réactif. Ensuite,nous avons démontré le mécanisme d'activation des récepteurs P2X dans une étude utilisant la bioinformatique et l'ingénierie de site zinc. Ainsi nous avons établi une corrélation entre l'ouverture du canal et le rétrécissement du site de liaison suite à la fixation de l'ATP. Enfin nous avons mis au point une nouvelle stratégie optogénétique chimique appelée « optogating » permettant de reprogrammer un canal ionique afin de le contrôler par la lumière. Nous avons montré qu'un récepteur canal modifié au niveau transmembranaire, par un réactif contenant un azobenzène, peut être activé réversiblement par la lumière sans recourir au ligand endogène. Nous avons réussi à photocontrôler l'activité neuronale à l'aide d'un récepteur P2X activé par la lumière,dans lequel, la sensibilité à l'ATP a été génétiquement supprimée. Cet outil est prometteur pour l'étude du rôle physiologique des récepteurs P2X in vivo. / The ATP-gated P2X receptors are trimeric ion channels that are selective to cations.These ion channels are involved in various physiological processes such as nociception and neuromodulation. The study of P2XR physiology suffers from a lack of selective pharmacological molecules. Optogenetic pharmacology could solve this problem. ln thiswork, 1 performed structural studies of P2X receptors and developed an original optochemical tool in order to contrai P2X activity. First, we localized the ATP-binding sites by creating, through a proximity-dependent"tethering" reaction, covalent bonds between a synthesized ATP-derived thiol-reactiveP2X2 agonist (NCS-ATP) and single cysteine mutants engineered in the putativebinding cavities of the P2X2 receptor. Next, we demonstrated that tightening of the ATP-binding sites correlates precisely with channel opening in the P2X2 receptor. Finally, we developed a unique and versatile method, in which the gating machinery of the P2X2 receptor was reprogrammed to respond to light. We found that channels covalently modified by azobenzene-containing reagents at the transmembrane segments could be reversibly turned on and off by light, without the need of the natural ligand (here ATP). We demonstrated photocontrol of neuronal activity by a light-gatedP2X receptor, in which the natural sensitivity to ATP was genetically removed. These light-gated P2X receptors represent valuable tools for investigating the physiological functions of P2X receptors.

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 cécité ou la très grande malvoyance peut résulter de différentes pathologies comme les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) caractérisées par la perte des photorécepteurs. Une des approches pour traiter les DRH est la thérapie génique spécifique, c’est à dire le remplacement du gène défectueux par un gène sain. Des études chez des modèles animaux de DRH ont démontré l’efficacité de la thérapie géniques spécifique, et conduit au lancement d’essais cliniques.Malgré des résultats encourageants, la thérapie génique spécifique n’est pas toujours applicable, en particulier quand la dégénérescence est trop avancée ou si le gène muté est inconnu. Pour traiter tous les cas de DRH, un nouvel axe de thérapie génique est envisagé : le transfert d’optogène.Cette stratégie consiste à réactiver la rétine devenue aveugle par l’expression de protéines photosensibles dans la rétine. Notre objectif est d'évaluer l'efficacité du transfert d'optogène chez un modèle canin naturellement déficient pour le gène Rpe65, provoquant une forme sévère de DRH proche de celles retrouvées chez l’homme. La stratégie thérapeutique retenue est : L'injection intravitréenne, après vitrectomie, d'un vecteur recombinant dérivé du virus adéno-associé de sérotype2 (rAAV2/2), portant le transgène optogénétique sous contrôle d'un promoteur fort et spécifique des tissus neuronaux : hSyn. Le but de ce projet est de transduire efficacement les cellules ganglionnaires rétiniennes d'un modèle canin déficient pour le gène Rpe65 et d'évaluer la photosensibilité des cellules transduites. / Inherited retinal diseases (IRD) affect about 2 million people worldwide, leading to severe visual impairment.Specific gene addition therapy is one of the most promising strategies to treat these patients. Howevermany of them are not eligible for specific gene therapy,such as.1) Patients with unknown deficient genes.2) Patients beyond the therapeutic window.3) Patients whose the deficient gene is too large forAAV encapsidation.4) Patients undergoing a dominant form of IRD.Therefore, the aim of this project is to develop analternative strategy, independent of the mutation and the retinal degeneration kinetic: the optogene transfer. In context of IRD, it will consist to convert survivingretinal ganglion cells into sensitive light cells followingthe transfer of ChR2 or Opn4 optogene. Several rodentmodels of IRD have been successfully treated usingthese optogenes. Nevertheless, this approach hasnever been evaluated in large animal models. The objective of our study will be to define the feasibility ofoptogene transfer to restore vision in blind patients by evaluating the safety and the efficacy of AAV-mediated gene transfer of ChR2, eNpHR or Opn4, after vitrectomy, in ganglion cells of a canine model of IRD, the Rpe65-deficient dog.

Les verres et fibres appartenant au système AgI-AgPO3-Ag2WO4 ont été étudiés pour leur transmission optique dans la région visible (450 à 900 nm) et leur conductivité électrique. Ces verres combinent des propriétés qui sont essentielles pour une application directe dans les domaines de l’optogénétique et de l'électrophysiologie. Les sondes actuellement utilisées dans ces domaines sont généralement produites de façon complexe et possèdent une transparence optique réduite dans le visible ou une faible conductivité électrique. Le choix d'une composition de verre comme matériau pour une fibre multifonctionnelle permettrait de simplifier la mise en œuvre et d’optimiser les propriétés de cette fibre pour une application directe en optogénétique et en électrophysiologie. L'ajout progressif (Ag2WO4) dans le système vitreux binaire AgI-AgPO3 a été étudié pour son influence sur les propriétés physicochimiques, optiques et électriques. Cette étude a démontré que l’absence d’espèces réduites de tungstène dans les verres mène à une transparence optique dans le domaine du visible similaire pour chacune des compositions. Une conductivité électrique (AC) de 10-3 à 10-2 S·cm-1 a été mesurée à température ambiante sur des verres en pastilles. Ces valeurs se situent dans la gamme de conductivité électrique recherchée pour l’application en électrophysiologie. Il a aussi été observé que l'addition de tungstate d'argent contribue à modifier la température de transition vitreuse et la densité du verre, tout en réduisant le risque d’hydrolyse des chaines de phosphate dans ces verres. Une fibre optique a été fabriquée et caractérisée à partir d’une composition vitreuse optimale et pourrait être utilisée comme sonde pour l’application visée. / Glasses and fibers belonging to the AgI-AgPO3-Ag2WO4 system have been studied for their optical transmission properties in the visible region (450 to 900 nm) and electrical conductivity (AC). These glasses combine properties that are essential for direct application in the fields of optogenetics and electrophysiology. The probes currently used in those fields are generally produced by a complex method or have a reduced optical transparency in the visible or a low electrical conductivity. The choice of a glass composition, as single material for a multifunctional fiber, could simplify its fabrication and optimize the characteristics of this fiber toward the aimed application of electrophysiology. The progressive addition of silver tungstate (Ag2WO4) in the AgI-AgPO3 binary glasses has been studied for its influence on the optical, electrical and physical properties. This study showed an optical transparency in the visible range similar for each of the compositions due to the absence of reduced tungsten species. An electrical conductivity (AC) of 10-3 to 10-2 S·cm-1 was measured on the bulk glasses at room temperature and is within the electrical conductivity range required for the applications. It was also observed that the addition of silver tungstate contributes to change the glass transition temperature and density while reducing the risk of hydrolysis reaction of the phosphate chains in these glasses. An optical fiber has been manufactured and characterized from an optimal vitreous composition which can be used as a probe in the intended application.

Depuis quelques temps, l'optogénétique est utilisée en recherche pour remplacer la stimulation électrique de neurones par la photo-stimulation. Des scientifiques cherchent désormais à étendre l'optogénétique à la recherche sur le coeur. Plusieurs ont prouvés la possibilité de contrôler les battements cardiaques à l'aide de lumière en laboratoire sur des rongeurs. Les expérimentations effectuées sur le coeur jusqu'à maintenant reposent sur des systèmes filaires et encombrants qui permettent la mesure de l'électrocardiogramme (ECG) à l'aide d'électrode et la photo-stimulation à l'aide d'une fibre optique. Ces systèmes augmentent le stress chez les animaux de laboratoire ce qui peut induire des erreurs dans les mesures. Ce mémoire décrit la conception d'un système répondant à cette problématique. Le système développé permet la photo-stimulation cardiaque et l'enregistrement d'ECG sans-fil à l'aide d'un implant et d'un circuit basse consommation, le tout alimenté par batterie. Étant donné la présence d'artefact de mouvement dans les ECG mesurés lors de tests préliminaires, le système comporte aussi un algorithme de filtrage des artefacts en temps réel. Finalement, le fonctionnement du prototype est démontré par différents tests in-vivo. / In the past few years, optogenetics was used in research to replace electrical stimulation of neurons by photo-stimulation. Scientists now search a way to extend optogenetics to cardiac research. Many were able to control the heartbeat of rodents using light. These experiments were conducted using wired and cumbersome equiments with electrocardiogram (ECG) recording using electrodes and photo-stimulation using optical fibers. These systems increase tests subjects stress which can induce measurements errors. This master's thesis describes the design of a device answering this problem. The developed system enables cardiac photostimulation and ECG recording wirelessly with an implant and a low power electronic circuit. The device also includes a real-time algorithm to reduce motion artifacts shown in preliminary testing. Finally, the operation of the prototype is demonstrated during in-vivo experiments.

Initier la marche vient naturellement pour tout être vivant qui se déplace. Malgré cette apparente facilité, cet acte nécessite une interaction complexe entre différentes régions du cerveau et la moelle épinière. Une de ces régions a été découverte dans le mésencéphale et a été identifiée il y a maintenant 50 ans comme la région locomotrice mésencéphalique. En effet, la stimulation électrique de cette région engendre de manière systématique l’initiation de la locomotion dans de nombreuses espèces animales. Malgré tout, la localisation anatomique précise et l’identification des populations neuronales de cette région sont un sujet de débat encore aujourd’hui. Dans notre projet, nous avons utilisé les outils optogénetiques accessibles chez la souris afin de stimuler spécifiquement les populations glutamatergiques ou cholinergiques des deux noyaux qui constituent la région locomotrice mésencéphalique, le noyau cunéiforme (CnF) et le noyau pedonculopontin (PPN). Nous avons découvert que nous ne pouvions initier la marche en stimulant seulement les neurones glutamatergiques du noyau cunéiforme, indiquant ainsi que ces neurones constituent le corrélat anatomique de la région locomotrice mésencéphalique. Étant donné l’intérêt clinique de la stimulation profonde chez des patients parkinsoniens, épileptiques ou médullaires, il paraît d’autant plus urgent de définir la localisation et les fonctions précises des populations neuronales contribuant à cette région fonctionnelle. / The act of initiating locomotion comes naturally to every living and moving the animal. Despite this apparent easiness, this act relies upon a complex neuronal interaction between brain regions and the spinal cord. One of those regions was found in the brainstem and has been identified 50 years ago as the mesencephalic locomotor region. Indeed, electrical stimulation of this region consistently leads to the initiation of locomotion in many species. However, the precise anatomical location and neuronal composition responsible for this effect on locomotion remained a matter of debate for years. Here, using neuronal specific optogenetic stimulation in mice, we stimulated either the glutamatergic or the cholinergic population in the two proposed nuclei that form the MLR (cuneiform and pedunculopontine nuclei, CnF and PPN). We simultaneously recorded kinematics and EMG activity and found that we could only reliably induce locomotion when stimulating the glutamatergic neurons of the CnF, therefore establishing those neurons as the correlates of the MLR. Considering that the MLR is being tested as a deep brain stimulation target for disease ranging from Parkinson to epilepsy and spinal cord injury, it seems even more urgent to ascertain precisely its anatomical location and physiological role.

L'optogénétique est une nouvelle méthode de contrôle de l’activité neuronale dans laquelle la lumière est employée pour activer ou arrêter certains neurones. Dans le cadre de ce travail, un dispositif permettant l’acquisition de signaux neuronaux et conduisant à une stimulation optogénétique de façon multicanale et temps-réel a été conçu. Cet outil est muni de deux canaux de stimulation optogénétique et de deux canaux de lecture des signaux neuronaux. La source de lumière est une DEL qui peut consommer jusqu’à 150 milliampères. Les signaux neuronaux acquis sont transmis à un ordinateur par une radio. Les dimensions sont d’environ 20×20×15 mm3 et le poids est de moins de 7 grammes, rendant l’appareil utile pour les expériences sur les petits animaux libres. Selon nos connaissances actuelles, le résultat de ce projet constitue le premier appareil de recherche optogénétique sans-fil, compact offrant la capture de signaux cérébraux et la stimulation optique simultanée. / Optogenetics is a new method for controlling the neural activity where light is used to activate or silence, with high spatial and temporal resolution, genetically light-sensitized neurons. In optogenetics, a light source such as a LED, targets light-sensitized neurons. In this work, a light-weight wireless animal optogenetic headstage has been designed that allows multi-channel simultaneous real-time optical stimulation and neural recording. This system has two optogenetic stimulation channels and two electrophysiological reading channels. The optogenetic stimulation channels benefit from high-power LEDs (sinking 150 milliamps) with flexible stimulation patterns and the recorded neural data is wirelessly sent to a computer. The dimensions of the headstage are almost 20×20×15 mm3 and it weighs less than 7 grams. This headstage is suitable for tests on small freely-moving rodents. To the best of our knowledge, this is the first reported fully wireless headstage to offer simultaneous multichannel optical stimulation along with multichannel neural recording capability.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2024) / De par son implication dans plusieurs maladies neurologiques ainsi que dans les mécanismes sous jacents de la mémoire et de l'apprentissage, il est capital d'étudier la plasticité synaptique. Ce projet a cherché à développer des outils et protocoles permettant d'étudier les synapses et leur développement en utilisant le modèle du poisson-zèbre larvaire. À cet égard, j'ai exploité des techniques de biologie moléculaire pour concevoir et créer des plasmides codant pour l'expression de biomarqueurs synaptiques fluorescents. FingR-PSD95 (Fibronectin intrabody generated with mRNA display) est une protéine génétiquement encodée agissant à la manière d'un anticorps capable de cibler la protéine post-synaptique PSD95 localisée au niveau de l'espace post-synaptique des synapses excitatrices. Lorsqu'associé à une protéine fluorescente, FingR-PSD95 rend donc l'observation de synapses excitatrices en microscopie possible. Pour permettre au poisson-zèbre d'exprimer ces biomarqueurs, j'ai injecté des plasmides encodant FingR-PSD9 couplé à une protéine fluorescente verte (GFP) dans des œufs fécondés de poisson-zèbre au stade unicellulaire. Pour observer les prolongements neuronaux, j'ai utilisé un marquage membranaire rouge couplé au système FingR-PSD95. L'intégration de l'ADN plasmidique au génome du poisson-zèbre se fait par le système de transposase Tol2. Par la suite, j'ai employé des techniques de microscopie à fluorescence pour réaliser de l'imagerie synaptique sur des larves de poisson-zèbre vivantes. La caractérisation de ce marquage synaptique et de son efficacité chez le poisson-zèbre a alors permis de déterminer les stratégies d'optimisation nécessaires pour éventuellement développer une nouvelle lignée transgénique.Dans le cadre d'expériences de suivi de développement synaptique chez le poisson-zèbre, il est souhaitable de pouvoir imager des larves à des stades avancés de développement alors que leur répertoire comportemental se complexifie et leur organisation synaptique se développe considérablement. Il est nécessaire de développer des protocoles d'imagerie adaptés aux changements physiologiques dus à la maturation des larves. Ainsi, il sera possible d'étudier l'organisation synaptique du poisson-zèbre au travers d'expériences comportementales, d'apprentissage, et de manipulations de l'exposome (microbiote, toxines, stress, environnement social) à différents stades de développement.

Les récepteurs NMDA (rNMDAs) sont des récepteurs-canaux membranaires activés par le glutamate, neurotransmetteur excitateur, et impliqués dans diverses formes de plasticité synaptique et pathologies. Ces hétérotétramères obligatoires opèrent en dimère-de-dimères, associant généralement deux sous-unités GluN1 et deux GluN2A-D. Déterminer l'arrangement spatial des sous-unités d'un rNMDA est essentiel à la compréhension des mécanismes régissant son fonctionnement et du rôle joué par les interfaces entre sous-unités et entre domaines, notamment N-terminal (NTD) et de liaison des agonistes (ABD). En combinant modélisation moléculaire, mutagenèse dirigée, biochimie sur cystéines et électrophysiologie, nous montrons que ces sous-unités s'arrangent selon un ordre alterné, avec les sous-unités identiques diamétralement opposées, et révélons l'existence d'une interface inter-dimère entre les ABDs GluN1. Nous avons aussi implémenté dans les ovocytes de Xénope une technique innovante consistant à incorporer un acide-aminé non-naturel photo-réactif (UAA) dans un rNMDA. Cette approche, basée sur l'expansion du code génétique, a permis de créer un rNMDA sensible à la lumière. L'introduction d'UAAs aux interfaces entre sous-unités GluN1 et GluN2, révèle le rôle joué par deux de ces interfaces: (1) entre les lobes supérieurs des NTDs, dans le contrôle "sous-unité spécifique" de l'activité et (2) entre les lobes inférieurs des ABDs, dans l'inhibition allostérique par le zinc. Ces travaux apportent des informations sur l'architecture moléculaire des rNMDAs et révèlent l'importance des réarrangements structuraux aux interfaces entre sous-unités voisines dans les fonctions du récepteur. / NMDA receptors (NMDARs) are excitatory neurotransmitter receptors that form glutamate-gated ion channels and are essential mediator of synaptic plasticity and brain disorders. NMDARs are obligatory heterotetramers usually composed of two GluN1 and two GluN2 (A-D) subunits. Whereas it's well established that NMDARs operate as dimers of dimers, subunit arrangement around the central pore is still debated. This issue is fundamental to understand the mechanisms which govern NMDAR functions and the role of the interfaces between subunits and between domains, including the N-terminal domain (NTD) and the agonist-binding domain (ABD). By combining computational modeling, site-directed mutagenesis, electrophysiology, and cysteine cross-linking, we show that, in a full-length heterotetrameric NMDAR, the subunit arrangement is alternated, with identical subunits facing each other, and identify a new interdimer interface between the two GluN1 ABDs. We have also used a new technique, for which we demonstrated the feasibility in Xenopus oocytes, which consists in incorporating photoreactive unnatural amino-acids (UAAs) at different positions in NMDAR subunits. This genetic code expansion enabled us to create photosensitive NMDARs and probe new interfaces between GluN1 and GluN2 and their role in (1) subunit-specific channel activity (interface between GluN1 and GluN2A-B NTDs upper lobes) and (2) zinc allosteric inhibition (interface between GluN1 and GluN2A ABDs lower lobes). Our studies provide new information about molecular architecture of NMDARs and demonstrate the importance of some structural rearrangements between subunit interfaces for the receptor functions.