Le trouble de stress post-traumatique (TSPT) est un trouble de type anxieux se déclenchant généralement suite à une expérience traumatisante. Des structures cérébrales telles que le cortex préfrontal, l’hippocampe ou encore l’amygdale, appartenant au réseau impliqué dans l’apprentissage et les mémoires émotionnelles, sont particulièrement altérées. Ce réseau étant extrêmement bien conservé au cours de l’évolution, la mise en place et le maintien des mémoires aversives peut être étudiés chez le rongeur par un paradigme pavlovien de peur conditionnée. Notre équipe a identifié une forte expression du transporteur vésiculaire du glutamate, VGLUT3 dans l’amygdale basolatérale (BLA). VGLUT3, comme les autres transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUTs), permet l’internalisation du glutamate dans les vésicules synaptiques. Il se distingue des autres VGLUTs par sa distribution et ses fonctions atypiques. Mes travaux de recherche nous ont permis d’identifier les populations neuronales exprimant VGLUT3 dans la BLA, et de définir son rôle dans les processus de mémoires aversives. La caractérisation anatomique a révélé que : 1/ VGLUT3 est uniquement présent dans une sous-population d’interneurones GABAergiques de la BLA, et 2/ VGLUT3 est exprimé dans les terminaisons cholinergiques et sérotoninergiques de la BLA, permettant d’identifier deux populations de neurones de projections possédant VGLUT3. L’étude du rôle fonctionnel de VGLUT3 a été réalisé par l’utilisation d’une approche génétique couplée à une approche virale pour invalider VGLUT3 dans les terminaisons GABAergiques, sérotoninergiques ou bien cholinergiques. Les souris présentant une inactivation constitutive de VGLUT3 montrent une généralisation au contexte et une extinction rapide. L’inactivation spécifique de VGLUT3 dans la BLA ou dans le cerveau antérieur basal – site d’origine des neurones de projections cholinergiques vers la BLA perturbent également les mémoires aversives, soulignant le rôle spécifique de VGLUT3 dans les réponses modulant la peur à travers sa présence dans l’amygdale basolatérale. Ces nouvelles données permettront de mieux comprendre le fonctionnement et le rôle de VGLUT3 dans les mémoires émotionnelles, et d’explorer son éventuelle implication dans des troubles de l’anxiété tel le TSPT. / Post-Traumatic Stress Disorder (PTSD) is an anxiety-like disorder usually triggered by a traumatic experience. Brain structures such as the prefrontal cortex, the hippocampus or the amygdala belonging to the learning and emotional memories network, are particularly affected. As this network is extremely well conserved during evolution, acquisition and consolidation of aversive memories can be studied by a Pavlovian fear conditioning paradigm in rodents. Our team has identified a strong expression of the vesicular glutamate transporter, VGLUT3 in the basolateral amygdala (BLA). VGLUT3 allows, like all vesicular transporters, neurotransmitter internalization, here the glutamate in synaptic vesicles. VGLUT3 is atypical because of its distribution and its functions. The aim of my work is to identify the neuronal population expressing VGLUT3 in the amygdala as well as its role in processing aversive memories. The anatomical characterisation revealed: 1/ VGLUT3 mRNA in BLA GABAergic interneurons, 2/ VGLUT3 protein in cholinergic and serotoninergic terminals in the BLA, identifying two populations of projecting neurons expressing VGLUT3. To decipher the functional role of VGLUT3, we used viral and genetic approaches to ablate VGLUT3 either in GABAergic, serotoninergic or cholinergic terminals. Mice lacking VGLUT3 constitutively show contextual generalization and rapid extinction. Specific inactivation of VGLUT3 in BLA impairs aversive memories, shedding light on a specific role of VGLUT3 in modulating fear responses through its presence in BLA interneurons. These new data will be discussed in the context of PTSD and would open a new direction for the development of therapeutic treatment.

Le système endocannabinoïde régule de nombreuses fonctions physiologiques. Dans le cerveau, cette régulation est exercée principalement par l’activation des récepteurs CB1. En effet, ces derniers jouent un rôle clef dans la régulation des neurotransmissions excitatrices et inhibitrices, y compris dans des régions cérébrales impliquées dans la gestion des processus émotionnels. Les données existantes indiquent que les récepteurs CB1 exercent un contrôle tonique sur certaines dimensions de l’émotion (e.g. anxiété, peur), mais le rôle joué par ces récepteurs dans les conséquences émotionnelles de l’exposition répétée à des stimuli attractifs ou aversifs n’a été que peu analysé. L’objectif de nos travaux a donc été d’examiner chez la souris le rôle des récepteurs CB1 (i) dans l’adhérence à un exercice physique volontaire répété, et dans les impacts émotionnels (ii) de l’exercice volontaire répété, et (iii) du stress par défaites sociales répété. Cet examen a été réalisé principalement à l’aide d’outils génétiques (mutants constitutifs et conditionnels du récepteur CB1) mais également à l’aide d’outils pharmacologiques (antagonistes sélectifs des récepteurs CB1). L’utilisation de ces outils nous a permis d’identifier un rôle spécifique des récepteurs CB1 des neurones GABAergiques de l’aire tegmentale ventrale dans le contrôle des performances d’exercice physique volontaire sur roue chez la souris. De plus, les données comportementales obtenues indiquent que les récepteurs CB1 portés par les neurones glutamatergiques corticaux jouent un rôlecrucial dans les profils d’anxiété et d’extinction de peur observés après un exercice physique volontaire répété. Enfin, une dernière série d’études a permis de distinguer les impacts respectifs del’enrichissement de l’hébergement d’une part, et de la pratique de l’exercice d’autre part, dans les conséquences de l’exercice volontaire sur les comportements émotionnels et la neurogenèse hippocampique.Un second volet de recherche a permis de définir les rôles respectifs des récepteurs CB1 portés pardifférentes populations neuronales dans l’impact psychoneuroendocrinien (comportement, métabolisme, réactivité corticotrope) du stress social par défaites répétées. En particulier, ce travail asouligné l’impact majeur des récepteurs CB1 des neurones sérotonergiques dans les modifications depoids corporel et d’appétence pour le sucre induites par le stress répété. De plus, les résultats obtenus chez des animaux contrôles et des animaux stressés ont mis en avant le rôle des récepteursCB1 des neurones glutamatergiques corticaux et des neurones exprimant le facteur Sim1 (i.e. majoritairement hypothalamiques) dans les processus d’extinction de la mémoire de peur conditionnée au son. / The endocannabinoid system regulates a plethora of physiological functions. In the central nervoussystem, such a regulation is mainly achieved through the stimulation of CB1 receptors. Thus, these receptors exert a key control over excitatory and inhibitory transmissions, including in brain areas ubserving emotional processes. The data gathered so far have provided evidence for a tonic controlof several dimensions of emotionality (e.g. anxiety, fear) by CB1 receptors, but the role played by these receptors in the emotional consequences of the repeated exposure to positive or to negative stimuli has been poorly addressed. Thus, the aims of this work were to examine the role of CB1 receptors (i) in voluntary exercise (wheel running) performance, and in several emotional effects of(ii) repeated voluntary exercise and (iii) repeated social stress in mice. This task was mainly achievedthrough the use of genetic (constitutive and conditional CB1 receptor mutants) and, albeit to a lowerextent, pharmacological (CB1 receptor antagonists) tools.The aforementioned tools allowed us to assign to CB1 receptors located on ventral tegmental area GABAergic neurons a tonic stimulatory influence on voluntary running performance. Moreover, behavioural experiments led us to conclude that CB1 receptors located on cortical glutamatergic neurons are involved in the anxiety and fear extinction patterns observed in animals given repeatedaccess to exercise. Lastly, a series of studies allowed us to distinguish between the respective impacts of housing enrichment and exercise in the consequences of wheel running on emotional behaviours and hippocampal neurogenesis.A second set of experiments defined the respective roles played by distinct neuronal CB1 receptor populations in the psychoneuroendocrine effects of repeated social stress. Thus, this work presentedevidence for a tonic role exerted by CB1 receptors located on central serotonergic neurones in stresselicited changes in body weight growth and hedonia for sucrose. Besides, CB1 receptors located on cortical glutamatergic neurons or on Sim1-expressing neurons (which are mainly present in the paraventricular hypothalamus) were found to exert major roles in the extinction of cued fear memory in unstressed and/or stressed animals.

Le système endocannabinoïde est un important modulateur des fonctions physiologiques. Dans le cerveau, son contrôle s’exerce essentiellement par les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1). Les récepteurs CB1 sont abondamment exprimés sur les neurones excitateurs glutamatergiques et les interneurones inhibiteurs GABAergiques et leur stimulation inhibe la libération du glutamate et du GABA. Récemment, l’activité des récepteurs CB1 sur les astrocytes a été proposée comme facilitant la transmission excitatrice. Par ce contrôle général de la neurotransmission, l’activité des récepteurs CB1 induit différents phénomènes de plasticté synaptique associés aux processus de mémoire. Les récepteurs CB1 jouent un rôle complexe dans les fonctions de mémoire. En particulier, la stimulation exogène des récepteurs CB1 perturbe la mémoire de travail. D’autre part, la signalisation endogène des récepteurs CB1 est nécessaire à l’adaptation des réponses de peur apprises. Cependant, les mécanismes par lesquels les récepteurs CB1 régulent ces processus de mémoire n’ont été que peu analysés. L’objectif de ce travail fut de caractériser les mécanismes cellulaires par lesquels les récepteurs CB1 contrôlent la mémoire de travail et les réponses de peur apprises. Nous avons utilisé les modèles de mutation constitutive et conditionnelle des récepteurs CB1 chez la souris afin d’analyser les conséquences de la délétion de ces récepteurs sur des types cellulaires particuliers. Dans une première étude, nous avons montré que les cannabinoïdes exogènes tels que le Δ9-tetrahydocannabinol (THC, principal composé psychoactif du cannabis) induisent des déficits de mémoire de travail spatiale par la stimulation des récepteurs CB1 exprimés sur les astrocytes. Les cannabinoides induisent une forme de dépression à long-terme dans l’hippocampe dont plusieurs mécanismes cellulaires sont similaires à ceux supportant les déficits de mémoire mis en évidence par l’analyse comportementale. Ces résultats suggèrent que les cannabinoïdes altèrent la mémoire de travail spatiale par une modification de la plasticité synaptique de l’hippocampe induite par la stimulation des récepteurs CB1 astrogliaux. Dans une seconde étude, nous avons mis en évidence que les récepteurs CB1 localisés sur les neurones GABAergiques et glutamatergiques exercent un contrôle opposé sur le type de réponse élicité par un stimulus conditioné aversif. La ré-expression sélective des récepteurs CB1 dans l’amygdale des souris mutantes constitutives a permis de préciser l’implication de cette structure dans la régulation des réponses de peur conditionnées par les récepteurs CB1.L’ensemble de ces travaux indiquent que le système endocannabinoïde contrôle les fonctions de mémoire par une régulation de l’activité de cellules spécifiques dans le cerveau. L’implication des astrocytes dans les effets des cannabinoïdes sur la mémoire souligne l’importance de ces cellules dans les processus cognitifs et suggère que les récepteurs CB1 astrogliaux jouent un rôle dans d’autres fonctions cérébrales. Nos résulats révèlent également l’importance de l’évaluation de différents comportements dans le cadre des modèles expérimentaux d’adaptation à la peur. / The endocannabinoid system is an important regulator of physiological functions. In the brain, this control is mainly exerted through the type-1-cannabinoid (CB1) receptors. CB1 receptors are abundant at excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic neuron terminals where their stimulation inhibits neurotransmitter release. The activity of CB1 receptors on astrocytes has been recently proposed as facilitating excitatory transmission. Through this general control on brain neurotransmission, CB1 receptors mediate distinct forms of synaptic plasticity that are associated with memory processing. Indeed, CB1 receptors control memory functions. In particular, the exogenous stimulation of CB1 receptors impairs working memory. Moreover, the endogenous CB1 receptor signalling ensures the adaptation of learned fear responses. However, the brain mechanisms of this CB1-mediated control of memory functions are poorly characterized. The goals of this research work were to dissect the cellular mechanisms by which CB1 receptors control both working memory and learned fear responses. We used constitutive and conditional mutagenesis in mice to address the roles of CB1 receptors on particular cell types in these functions. We first showed that exogenous cannabinoids, including Δ9-tetrahydocannabinol (THC, the main psychoactive constituent of cannabis), impairs spatial working memory through the stimulation of astroglial CB1 receptors. Cannabinoids also induce a form of in vivo long-term depression in the hippocampus that shares several cellular mechanisms with the cannabinoid-induced working memory impairments. These results suggest that cannabinoids disrupt spatial working memory by altering hippocampal synaptic plasticity through astroglial CB1 receptor stimulation. We then showed that CB1 receptors expressed on GABAergic and glutamatergic neurons oppositely control fear coping strategies in the presence of fear conditioned stimuli. The selective and local re-expression of CB1 receptors in the amygdala of constitutive CB1 mutant mice allowed to precise the involvement of this brain structure in the regulation of conditioned fear responses by CB1 receptors. Altogether, these studies indicate that the endocannabinoid system differentially controls memory functions through its distinct modulation of the activity of specific brain cells. The involvement of astrocytes in the effects of cannabinoids on memory highlights their key roles in cognitive processes and further suggests that astroglial CB1 receptors might play a role in other high order brain functions. Our results also point the importance of performing thorough behavioral analyses in the experimental models of fear adaptation.

Les désordres intellectuels (DI) comprennent une collection hétérogène de désordresneurodéveloppementaux qui émergent pendant l’enfance. Ils ont une incidence de 1 à 3% dansla population et sont associés avec des déficits dans les fonctions mentales et adaptives. Denombreuses mutations ont été identifiées dans des gènes codant pour des protéines quiremplissent des fonctions biologiques très diverses dans le cerveau. Parmi ces protéines,certaines sont enrichies à la synapse, supposant que les déficits cognitifs associés aux DIpourraient être reliés à des déficits synaptiques. L’objectif scientifique de notre équipe et decomprendre le rôle de certaines protéines dans la fonction synaptique et la cognition enutilisant des souris génétiquement modifiées portant des mutations dans le gènecorrespondant. Je me suis concentré sur Il1rapl1, un gène codant pour la protéine Interleukinreceptor-accessory-protein-like-1. Des mutations ou micro-délétions dans ce gène sont liés audéveloppement de DI chez l’homme. Dans les neurones, Il1rapl1 code pour une protéinetransmembranaire qui serait impliquée dans la formation et/ou la stabilisation de synapsesexcitatrices. Les conséquences de l’absence d’IL1RAPL1 à des niveaux plus intégrés restaientpeu étudiées lors du début de ma thèse. J’ai utilisé une souris déficiente pour IL1RAPL1 (KO) afinde comprendre le lien entre les déficits comportementaux et la fonction synaptique. Pour cela,j’ai soumis des souris KO à des taches comportementales de peur conditionnée. J’ai ensuiteutilisé une combinaison d’approches in vitro, ex vivo et in vivo afin de caractériser la fonctionsynaptique dans les circuits neuronaux dédiés : l’amygdale latérale et basolatérale. Desenregistrements electrophysiologiques ont montré une dérégulation de la balance entre latransmission inhibitrice et excitatrice (I/E) dans l’amygdale de souris Il1rapl1 KO, causant ainsides déficits dans la capacité d’acquérir et d’exprimer la mémoire de peur conditionnée. Lacorrection de ce déficit synaptique in vivo par pharmacologie ou par optogénétique a permis derestaurer le comportement chez les souris KO. / Intellectual disability (ID) comprises a highly heterogeneous collection of neurodevelopmentaldisorders that arise during childhood. They have an incidence of 1-3% in the population withimpairments in mental and adaptive functions. While the etiologies of IDs are thought to bevery heterogeneous, a significant proportion of ID has genetic origins. Mutations in single IDgenes lead to dysfunctions in proteins that fulfill highly different biological functions in thebrain. Interestingly, ID-related proteins are often found enriched at synapses, suggesting thatcognitive impairments defining ID could be related to alterations of synaptic function. The maingoal of our research team is to understand the role of ID-related proteins in synaptic functionand cognition using mouse models bearing gene mutations associated to ID in humans. Myresearch focused on the study of Il1rapl1, a gene coding for the Interleukin-receptor-accessoryprotein-like-1 protein. Micro-deletions or point mutations in this gene are directly linked to thedevelopment of ID and autism spectrum disorder in humans. In neurons, Il1rapl1 encodes atrans-membrane protein and several in vitro experiments point to its important role in thedifferentiation and formation/stabilization of excitatory synapses trough interactions withpresynaptic, trans-synaptic or postsynaptic partners. However, the consequences of Il1rapl1deficiency at more integrated levels remains poorly understood. The principal objective of mythesis is to explore the link between synaptic deficits and behavioral impairments in Il1rapl1-deficient mice. To achieve that, wild-type and mutant animals were first submitted to fearlearning tasks. I then used a combination of in vivo, ex vivo and in vitro functional essays tocharacterize synaptic functions in behaviorally relevant neuronal circuits. Ultimately, ourworking hypothesis were challenged in vivo by pharmacological and optogenetic approaches tonormalize behavioral deficits in Il1rapl1 KO mice. Altogether my work demonstrates thatInhibitory/Excitatory imbalances associated with the absence of Il1rapl1 impaired both thecapacity to form new memories as well as the expression of previously formed memories.

Les processus d'apprentissage et de mémoire sont contrôlés par des circuits et éléments neuronaux spécifiques. De nombreuses études ont récemment mis en évidence que les circuits corticaux jouent un rôle important dans la régulation des comportements de peur, cependant, leurs caractéristiques anatomiques et fonctionnelles restent encore largement inconnues. Au cours de ma thèse, en utilisant des enregistrements unitaires et des approches optogénétiques chez la souris libre de se comporter, nous avons pu montrer que les interneurones inhibiteurs du cortex auditif et du cortex préfrontal médian forment un microcircuit désinhibiteur permettant respectivement l'acquisition et l'expression de la mémoire de peur conditionnée. Dans les deux cas, les interneurones parvalbuminergiques constituent l'élément central du circuit et sont inhibés de façon phasique. D’un point de vue fonctionnel, nous avons démontré que cette inhibition était associée à la désinhibition des neurones pyramidaux par un mécanisme de réduction de l'inhibition continue exercée par les interneurones parvalbuminergiques. Ainsi, les interneurones parvalbuminergiques peuvent contrôler temporellement l'excitabilité des neurones pyramidaux. En particulier, nous avons montré que l'acquisition de la mémoire de peur conditionnée dépend du recrutement d'un microcircuit désinhibiteur localisé dans le cortex auditif. En effet, au cours du conditionnement de peur, la présentation du choc électrique induit l'inhibition des interneurones parvalbuminergiques, ce qui a pour conséquence de désinhiber les neurones pyramidaux du cortex auditif et de permettre l’apprentissage du conditionnement de peur. Dans leur ensemble, ces données suggèrent que la désinhibition est un mécanisme important dans l'apprentissage et le traitement de l'information dans les circuits corticaux. Dans un second temps, nous avons montré que l'expression de la peur conditionnée requière l'inhibition phasique des interneurones parvalbuminergiques du cortex préfrontal médian. En effet, leur inhibition désinhibe les cellules pyramidales préfrontales et synchronise leur activité en réinitialisant les oscillations thêta locales. Ces résultats mettent en évidence deux mécanismes neuronaux complémentaires induits par les interneurones parvalbuminergiques qui coordonnent et organisent avec précision l’activité neuronale des neurones pyramidaux du cortex préfrontal pour contrôler l'expression de la peur conditionnée. Ensemble, nos données montrent que la désinhibition joue un rôle important dans les comportements de peur en permettant l’association entre des informations comportementalement pertinentes, en sélectionnant les éléments spécifiques du circuit et en orchestrant l'activité neuronale des cellules pyramidales. / Learning and memory processes are controlled by specific neuronal circuits and elements. Numerous recent reports highlighted the important role of cortical circuits in the regulation of fear behaviour, however, the anatomical and functional characteristics of their neuronal components remain largely unknown. During my thesis, we used single unit recordings and optogenetic manipulations of specific neuronal elements in behaving mice, to show that both the auditory cortex and the medial prefrontal cortex contain a disinhibitory microcircuit required respectively for the acquisition and the expression of conditioned fear memory. In both cases, parvalbumin-expressing interneurons constitute the central element of the circuit and are phasically inhibited during the presentation of the conditioned tone. From a functional point of view, we demonstrated that this inhibition induced the disinhibition of cortical pyramidal neurons by releasing the ongoing perisomatic inhibition mediated by parvalbumin-expressing interneurons onto pyramidal neurons. Thereby, this disinhibition allows the precise temporal regulation of pyramidal neurons excitability. In particular, we showed that the acquisition of associative fear memories depend on the recruitment of a disinhibitory microcircuit in the auditory cortex. Fear-conditioning-associated disinhibition in auditory cortex is driven by foot-shock-mediated inhibition of parvalbumin-expressing interneurons. Importantly, pharmacological or optogenetic blockade of pyramidal neuron disinhibition abolishes fear learning. Together, these data suggest that disinhibition is an important mechanism underlying learning and information processing in cortical circuits. Secondly, in the medial prefrontal cortex, we demonstrated that expression of fear behaviour is causally related to the phasic inhibition of prefrontal parvalbumin-expressing interneurons. Inhibition of parvalbumin-expressing interneuron activity disinhibits prefrontal pyramidal neurons and synchronizes their firing by resetting local theta oscillations, leading to fear expression. These results identify two complementary neuronal mechanisms both mediated by prefrontal parvalbumin-expressing interneurons that precisely coordinate and enhance the neuronal efficiency of prefrontal pyramidal neurons to drive fear expression. Together these data highlighted the important role played by neuronal disinhibition in fear behaviour by binding behavioural relevant information, selecting specific circuit elements and orchestrating pyramidal neurons activity.

Le but de cette thèse est d'étudier la neurobiologie du conditionnement de peur à l'odeur chez le rat adulte. Nous avons d'abord cherché si cet apprentissage s'accompagnait de plasticité dans les voies olfactives en enregistrant les potentiels évoqués par la stimulation électrique du bulbe olfactif dans l'amygdale et le cortex piriforme, avant et après apprentissage. Une facilitation synaptique entre le bulbe olfactif et l'amygdale et le cortex piriforme postérieur a été mise en évidence suite à l'apprentissage, suggérant un rôle de ces structures dans cette tâche. Nous avons ensuite étudié les conséquences du même conditionnement réalisé en période néonatale sur l'apprentissage adulte. Un déficit d'apprentissage à l'âge adulte corrélé à une absence d'activation de l'amygdale et du cortex piriforme postérieur lors de la séance d'acquisition (cartographie au 2-DG) a été observé. Cette étude souligne l'importance critique des expériences précoces sur la mémoire émotionnelle adulte.