La Maladie d’Alzheimer (MA) est la première cause de démence au monde. Un fort coût de prise en charge, associé une faible efficacité des traitements actuels font de la découverte d’une thérapie efficace une priorité. Dans ce contexte les récepteurs sérotoninergiques de type 4 (5-HT4R) représentent une cible prometteuse. En effet, l’utilisation d’agonistes des 5-HT4R chez l’animal entraîne à la fois des effets pro-mnésiants et anti-amnésiants et une action sur la physiopathologie de cette maladie. Par ailleurs, l’aspect multifactoriel de la MA a conduit à faire émerger ces derniers années un consensus quant à la nécessité du développement de stratégie thérapeutique multi-cibles. Dans un premier temps, nous avons démontré l’intérêt de l’association d’un inhibiteur de l’acétylcholinestérase (IAChE) - l’un des rares médicaments disponibles, à un agoniste des 5-HT4R (RS67333) sur les performances de mémoire de travail et de référence chez la souris. Par la suite et afin de mieux comprendre les mécanismes mises en jeu dans les effets anti-amnésiant du RS67333, nous avons étudié les effets de la stimulation des 5-HT4R sur la plasticité synaptique mesurée au moyen d’une approche ex vivo au niveau de la région CA1 de l’hippocampe chez la souris saine NMRI. En effet, la plasticité synaptique, est un élément essentiel des processus d’apprentissage et de mémoire. Une première étude chez la souris saine a montré que la stimulation des 5-HT4R inhibait la potentialisation à long terme (LTP) induite par stimulation thêta-burst (TBS). Nos résultats suggèrent que l’inhibition de la LTP par l’agoniste est médiée par une modification de la neurotransmission GABAergique. La dernière partie de mes travaux a porté sur un modèle transgénique murins mimant certains des aspects de la MA (souris 5xFAD). Ainsi, si la stimulation des 5-HT4R conduisait à des résultats similaires en terme de transmission synaptique de base ou de plasticité à long-terme, elle modifie de façon importante la plasticité à court terme. L’ensemble de ces résultats obtenus ex vivo nécessiteraient d’être associé à des mesures in vivo, pour faire le lien entre les effets sur la plasticité synaptique et les performances de mémoire. Nos travaux montrent l’existence d’une association entre les 5-HT4R et la transmission GABAergique dans la modulation de la plasticité synaptique hippocampique de la région CA1. Plus généralement, ils renforcent l’intérêt de stratégies multi-cibles contenant notamment un agoniste des 5-HT4R. / Alzheimer’s disease (AD) is the first cause of dementia in the world. Due to its high cost of care combined with the lack of efficient treatment, the discovery of an effective therapy is a priority. In that regard, 5-HT4R are a promising target. Indeed, preclinical studies showed promnesic and anti-amnesic effect of 5-HT4R agonist as well as a disease-modifying effect on amyloid processing. Furthermore, given the multifactorial aspect of AD pathophysiology, there is a consensus concerning the necessity for multi-target therapy to treat effectively this disease. First, we confirmed the beneficial effect of a combined treatment with galantamine, an IAChE, and RS67333, a 5-HT4R agonist, on working and reference memory performances in a pharmacological model of scopolamine-induced amnesia. Then, for a better understanding of the mechanisms involved in 5-HT4R stimulation-induced increase in memory performances, we investigated the effects of such stimulation on CA1 area synaptic plasticity. Indeed, synaptic plasticity is a key component of learning and memory processes. Through ex-vivo electrophysiological recordings, we demonstrated that 5-HT4R activation impairs TBS-induced LTP in wild-type healthy mice. Further experiments suggested that such impairment involves a modulation of GABAergic neurotransmission. In addition, a third study on a transgenic model of AD (5xFAD mice) showed similar results. These results, obtained exclusively ex vivo, need to be associated with in vivo experiments to close the gap with behavioral experiments and allow an interpretation of memory performances through synaptic plasticity modifications. Our work shows the existence of an interplay between 5-HT4R and GABAergic transmission in the regulation of synaptic plasticity in hippocampal CA1 area. Furthermore, we strengthen the interest toward multi-target treatment involving 5-HT4R agonists in the field of AD.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La synapse glutamatergique assure la majeure partie de la transmission excitatrice du cerveau et des changements de sa force constituent un corrélat cellulaire des processus d’apprentissage et de mémoire. Ces processus adaptatifs nécessitent souvent l’activation des récepteurs ionotropiques au glutamate de type NMDA (NMDAR) et l’influx calcique dans le compartiment postsynaptique qui suit leur ouverture. Jusqu’alors, l’activation des voix de signalisations sous-jacentes était considérée comme le seul mécanisme essentiel à la plasticité synaptique. Il est apparu récemment que les NMDAR diffusent à la surface des neurones, assurant un remodelage dynamique de leur distribution. La possibilité que la dynamique de surface des NMDAR joue un rôle déterminant dans les propriétés plastiques des synapses a donc émergé. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à cette problématique à l’aide d’approches d’imagerie dynamique à haute-résolution (ex. suivi de nanoparticules uniques, FRAP) et d’outils moléculaires de haute spécificité (ex. ligand biomimétique, x-link de récepteurs via les anticorps). J’ai dans un premier temps étudié la dynamique de surface des NMDAR endogènes au cours de la plasticité synaptique au sein de réseaux neuronaux hippocampiques in vitro. Mes résultats révèlent que l’induction de la potentialisation à long terme (LTP) des synapses glutamatergiques s’accompagne d’une redistribution latérale des NMDAR de surface dans la région postsynaptique. De façon remarquable, la réduction de la diffusion de surface des NMDAR via des anticorps commerciaux, mais aussi des anticorps purifiés de patients atteints d’encéphalite auto-immune, ciblant des épitopes extracellulaires des NMDAR, bloque la LTP. Dans un second temps, je me suis intéressé à la régulation de cette dynamique des NMDAR. En collaboration avec le groupe de Stéphane Oliet (CRI, INSERM), nous avons découvert qu’une redistribution rapide de surface des NMDAR s’opère différemment sous l’effet des co-agonistes du récepteur, la glycine et la D-sérine, et cela de façon dépendante des sous-unités GluN2A/GluN2B des NMDAR. De plus, j’ai démontré que l’interaction directe entre les NMDAR et les récepteurs dopaminergiques D1 membranaires contrôle la distribution des deux types de récepteurs aux abords de la synapse et module la plasticité synaptique. L’ensemble de ces données indique que la dynamique de surface des NMDAR est régulée par la présence d’un neuromodulateur, la dopamine, et de co-agonistes, contrôlant de façon dynamique la fenêtre plastique des synapses. / Glutamate synapse mediates most synaptic excitation in the brain and changes in its strength constitute a cellular basis for learning and memory processes. These adaptive properties often require ionotropic glutamate NMDA receptor (NMDAR) and the calcium influx in the postsynaptic compartment following their opening. So far, the activation of the subsequent signaling pathways was considered as the only mechanism essential for synaptic plasticity. It recently appeared that NMDAR diffuse at the neuronal surface, dynamically shaping their distribution. Whether the NMDAR surface dynamics and its potential regulators play an instrumental role in the plastic properties of synapses emerged thus as a possibility. During my PhD, I tackled this question using a combination of high resolution imaging techniques (e.g. single nanoparticle tracking, FRAP) and high specificity molecular approaches (e.g. biomimetic ligand, antibody based receptor cross-link). First, I studied surface dynamics of endogenous NMDAR during synaptic plasticity on hippocampal neurons in vitro. My results reveal that the induction of glutamate synapse long-term potentiation (LTP) is accompanied by a lateral redistribution of surface NMDAR within the postsynaptic area. Strikingly, reducing the surface diffusion of NMDAR using both commercial and purified antibodies from autoimmune encephalitis patients targeting extracellular epitopes of the NMDAR prevents LTP. Second I investigated whether NMDAR dynamics were regulated. In collaboration with Stephane Oliet’s group (CRI, INSERM), we uncovered that rapid surface redistribution can also be achieved differentially using the NMDAR co-agonists, glycine and D-serine, in a GluN2A/GluN2B NMDAR subunit dependent manner. In addition, I demonstrated that the direct interaction between NMDAR and dopamine D1 receptor at the membrane controls both receptors distribution in the synaptic area and modulates synaptic plasticity. Altogether, these data indicate that the NMDAR surface dynamics is regulated by ambient neuromodulators such as dopamine and co-agonists, dynamically controlling then the plastic range of synapses.

Le syndrome de stress post-traumatique est une pathologie caractérisée par des symptômes de réexpérimentation, d’évitement et d’hypervigilance. L’apparition d’un syndrome de stress posttraumatique après un événement traumatisant peut être prédit par un déficit de sécrétion en glucocorticoïdes. Le rôle de ce déficit dans la vulnérabilité individuelle face au stress a été analysé par deux approches différentes chez le rat. Dans une première approche, une déplétion pharmacologique a été induite par la métyrapone puis les réactions physiologiques et comportementales pendant le stress ont été caractérisées. Dans une seconde approche, les différences interindividuelles d’une population soumise à un stresseur intense ont été caractérisées en termes de réponse physiologique, comportementale et d’expression génique dans l’hippocampe. Ces études n’ont pas mis en évidence de vulnérabilité accrue induite par un déficit en glucocorticoïde. Au contraire, la métyrapone a montré des propriétés anxiolytiques indépendamment de son effet sur les glucocorticoïdes. La métyrapone a également modifié le métabolisme central et périphérique d’une façon qui pourrait expliquer ses propriétés neuroprotectrices. Enfin, l’approche naturaliste a mis en évidence l’importance de la plasticité synaptique dans la résilience face au stress / Post-traumatic stress disorder is a pathology characterized by reexperience, avoidance and hyper-arousal symptoms. Emergence of post-traumatic stress disorder after a traumatic event can be predicted, to a certain extent, by a glucocorticoid secretion deficiency. The role of this deficiency in stress vulnerability has been analysed by two different approaches in the rat. In a first approach, a pharmacological depletion has been induced by metyrapone, then, physiological and behavioural reactions during stress have been characterized. In a second approach, inter-individual differences of a population submitted to an intense stressor has been characterized in terms of physiological, behavioural and hippocampal gene expression responses. These studies failed to evidence an increased vulnerability induced by a glucocorticoid deficiency. On the contrary, metyrapone exhibited anxiolytic-like properties independently of its effects on glucocorticoids. Metyrapone has also modified central and peripheral metabolism in a way that could explain its neuroprotective properties. Finally, the naturalistic approach has evidenced the emphasis of synaptic plasticity in the resilience to stress

La présente thèse est liée à l'étude des indices externes au réseau neuronal et comment ceux-ci impactent le développement du système nerveux central. Spécifiquement, notre objectif était d'explorer l'effet de la leptine, une hormone sécrétée par les adipocytes, sur la plasticité développementale GABAergique. Nous avons utilisé des tranches aigues d'hippocampe de rat nouveau-né pour montrer que la leptine induit une potentialisation de la fréquence de l'activité miniature GABAergique, nécessitant une augmentation postsynaptique de calcium et l'activation de voies de signalisation spécifiques. Nous avons confirmé cet effet sur des cultures de neurones hippocampiques, sur lesquelles nous avons commencé à développer une méthode pour mesurer le corrélat morphologique de la plasticité fonctionnelle des synapses GABAergiques en culture. Cette approche suggère que la plasticité GABAergique induite par la leptine pourrait survenir à densité constante de récepteurs GABAA membranaires. La leptine induit donc une potentialisation de l'activité GABAergique dans les neurones hippocampiques en développement. Enfin, nous avons trouvé que les neurones pyramidaux de CA3 reçoivent une activité miniature GABAergique réduite chez des souris ob/ob ne produisant pas de leptine, suggérant que la leptine contribue au développement de la circuiterie GABAergique in vivo. Dans l'ensemble, les études que nous présentons apportent un éclairage nouveau sur le développement d'aires cérébrales dites de « haut niveau », dont nous avons observé qu'elles intègrent des signaux dits de « bas niveau », c'est-à-dire en provenance de la périphérie afin de modeler leur développement. / The present dissertation tackles the larger question of how external cues impact the development of the central nervous system. Our specific aim was to explore the effect of leptin, an adipocyte-derived hormone, on GABAergic plasticity in the developing rodent hippocampus. We used acute hippocampal slices of newborn rats to show that leptin induces a long lasting potentiation of the frequency of miniature GABAergic activity. Using pharmacological tools we found that this event requires a postsynaptic increase in intracellular calcium as well as specific postsynaptic signaling pathways. To address the mechanistic action of leptin we confirmed the leptin-induced plasticity on hippocampal cultures and began to develop a method to measure the morphological correlate of GABAergic synapses in culture. Applying this method suggested that the leptin-induced GABAergic plasticity might occur with a constant density of postsynaptic GABAA receptor puncta. Taken together, these data show that leptin induces a potentiation of GABAergic activity in developing hippocampal neurons, perhaps by recruiting clusters of GABAA receptors expressed at the membrane to form newly functional GABAergic synapses. In addition we found that CA3 pyramidal neurons of leptin-deficient ob/ob mice exhibit lower miniature GABAergic activity compared to wild type littermates, which suggests that leptin contributes to the development of the hippocampal GABAergic circuitry in vivo. Overall, these studies shed a new light on the development of admittedly "higher-level" cerebral regions which were found here to integrate "lower-level", peripheral signals to shape their development.

Dans le cerveau, il est difficile de mettre au point des expériences avec un niveau de contrôle approprié à cause du haut niveau de connectivité. Pour traiter ce problème, les modèles mathématiques sont utilisés pour représenter le cerveau d’une façon plus compréhensible. En effet, les modèles mathématiques peuvent être plus pratiques que les expériences pour tester des hypothèses et chercher à extraire l’essence même du principe étudié, en le simplifiant. De plus, la modélisation computationnelle forme une branche spécifique de la modélisation mathématique, permettant de résoudre de gros calculs numériques. Dans cette thèse, j’ai utilisé la modélisation computationnelle à travers différentes approches pour étudier certaines régions cérébrales. Nous avons collaboré avec des neurobiologistes en appliquant nos modèles à des données expérimentales pour contribuer à mieux comprendre l’action de la dopamine, un neuromodulateur. J’ai étudié la diversité de l’action de la dopamine à trois échelles: la région cérébrale, le niveau cellulaire et le niveau moléculaire. La dopamine a un gros impact sur le cerveau et elle est principalement connue pour son implication dans le système de récompense. En effet, c’est une molécule associée à la prédiction de récompense et de punition. Peu de régions produisent de la dopamine et ces régions sont altérées par la maladie de Parkinson ou perturbées par la dépression. Pour la maladie de Parkinson, j’ai conçu un modèle de type taux de décharge pour reproduire l’activité neuronale des ganglions de la base. Ce modèle montre des réponses neuronales significativement différentes, entre la condition témoin et la condition parkinsonienne. Par ailleurs, avec un modèle de type Hodgin-Huxley prenant en compte la dynamique de l’ion potassium, j’ai pu appuyer l’hypothèse que la région cérébrale appelée l’habenula, lorsqu’elle est hyperactive, induirait la dépression. Cette dépression serait due à un déséquilibre de la concentration en potassium à cause d’une dysfonction de l’astrocyte (surexpression des canaux Kir4.1). Enfin, la dopamine est aussi impliquée dans la plasticité synaptique, un phénomène à la base de la mémoire. Je l’ai étudié avec un troisième modèle, prenant en compte plusieurs résultats expérimentaux relatifs à la plasticité en fonction du timing des potentiels d’action et de sa modulation. / In the brain, the high connectivity level makes it difficult to set up experiments with an appropriate level of control. To address that issue, mathematical models are used to represent the brain in a more comprehensive way. Easier than experiments to test hypotheses, mathematical models can extend them closer to reality and aim to extract the studied principle essence, by simplifying it. Computational modelling is a specific branch of mathematical modelling allowing to solve large numerical calculations. In this thesis, I used computational modelling to study brain parts through different approaches, all in collaboration with neurobiologists and applied to experimental data. A common framework is given by the goal of contributing to a picture of the action of the neuromodulator dopamine. I studied the diversity of dopamine's action at three different scales: the brain region, the cellular level and the molecular level. Dopamine has a large impact on the brain and it is mainly known for its rewarding dimension, it is, indeed, the molecule associated with reward prediction and punishment. Few regions in the brain produce dopamine and these regions are impaired in Parkinson's disease or disrupted in major depressive disorders. Concerning Parkinson's disease, I designed a firing-rate model to fit experimental basal ganglia neural activity, which disclosed significant changes of the neural response between control and Parkinsonian condition. Furthermore, with a Hodgkin-Huxley model accounting for the dynamics of the potassium ion, I could support the hypothesis that the brain region called lateral habenula hyper-activates and induces major depressive disorders because of unbalanced potassium concentration due to astrocyte dysfunction (Kir4.1 channels overexpression). Dopamine is also involved in synaptic plasticity, a phenomenon at the basis of memory that I explored with a third model accounting for several experimental results pertaining to spike-timing-dependent plasticity and its modulation.

Les ganglions de la base sont impliqués dans le contrôle adaptatif du comportement et l’apprentissage procédural. Il est bien établit que la plasticité synaptique cortico-striatale constitue le principal substrat de la mémoire procédurale, affectée lors de la maladie de Parkinson (MP). La plasticité cortico-striatale est modulée par différents neurotransmetteurs, tels que les endocannabinoïdes (eCB) ou la dopamine (DA). Il est donc crucial de caractériser l’implication des interactions eCB-DA dans la plasticité cortico-striatale en conditions physiologique mais aussi pathophysiologique. Nous avons étudié la « spike-timing dependent plasticity » (STDP), une règle synaptique d’apprentissage hebbien. Nous avons mis en évidence, grâce au patch-clamp sur tranches de cerveaux de rongeurs, une STDP potentiation (tLTP) médiée par les eCBs et la DA. Nous avons montré que :(1) Un faible nombre de potentiels d’action est suffisant pour induire une eCB-tLTP par l’activation du CB1R. (2) La eCB-tLTP est exprimée au niveau des neurones striataus de type D1 et D2. (3) La DA, via les D2R exprimé par les afférences présynaptiques, est nécessaire pour la eCB-tLTP. (4) La eCB-tLTP est altérée dans un modèle rongeur de la MP, et est restaurée par la L-DOPA. (5) L’exposition à un milieu enrichi de rongeurs « parkinsoniens » restaure la eCB-tLTP. En conclusion, ces résultats mettent en évidence l’existence d’une plasticité eCB bidirectionnelle modulée par la DA. Cela étend considérablement le spectre d’action des eCBs et en particulier leur implication dans l’engramme de l’apprentissage rapide. / The basal ganglia (BG) are involved in the adaptive control of behavior and procedural learning. The striatum, the primary input nucleus of BG, integrates cortical and dopaminergic inputs constituing a major site of synaptic plasticity. Plasticity at corticostriatal synapses is a key substrate for procedural learning and is affected in Parkinson’s disease (PD). The corticostriatal transmission are modulated by the endocannabinoid (eCB) and dopaminergic (DA) systems. Thus it is pivotal to characterize their interactions in the striatal plasticity in physiological and pathophysiological conditions. Using electrophysiological recordings in rodent brain slices, we unraveled a homosynaptic spike-timing-dependent potentiation mediated by eCBs and DA. We show that at the single-cell level: (1) Few spikes are sufficient to induce eCB-tLTP through CB1R. (2) eCB-tLTP occurs in DA type 1 receptor (D1R)- and DA type 2 receptor (D2R)-expressing cells. (3) DA, through presynaptic D2R, is required for eCB-tLTP induction. (4) eCB-tLTP is impaired in a model of PD and is restored by L-DOPA treatment. (5) Enriched environment rescues eCB-tLTP in DA-deprived rats. In summary, this thesis confirms and further extends a new form of interplay between eCB and DA systems involved in physiological and pathophysiological plasticity processes.

Le striatum a pour rôle de sélectionner et d'intégrer les informations provenant du cortex et ainsi construire et transmettre une réponse adaptée aux stimuli environnementaux. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques des différents neurones du striatum (neurones de sortie, NETM, et interneurones) dans des conditions normales, et lors d'une déplétion de dopamine striatale. Grâce à un modèle de tranche de cerveau de rat dans laquelle les afférences cortico-striatales sont conservées intactes, nous avons mis en évidence une plasticité synaptique bidirectionnelle dans les NETM ainsi qu'une homéostasie puissante au niveau des synapses cortico-striatales. Nous avons ensuite observé que, outre les NETM, le cortex contacte également les interneurones striataux, avec une séquence d'activation particulière et qu'il existe une spécificité cellulaire de la " spike-timing dependent plasticity " (STDP) dans le striatum. Enfin, nous avons mis en évidence que, au niveau des NETM, des signaux sous-liminaires, en coïncidence avec une activité corticale, sont capables d'induire des phénomènes de plasticité synaptique à long-terme.

La stimulation cérébrale profonde (DBS) du gyrus cingulaire subgénual est actuellement en coursd'évaluation comme nouvelle cible thérapeutique chez les patients souffrant de dépression majeure.Afin de caractériser les mécanismes sous-jacents l'action de la DBS, et plus particulièrement, lapossible implication du système glial, les effets de la stimulation du cortex préfrontal infralimbique surplusieurs marqueurs précliniques de la réponse antidépressive ont été évalués chez le rat. Ce travailde thèse, en utilisant des approches électrophysiologiques, immunohistochimiques etcomportementales, montre que la DBS aigue (130 Hz, 150 μA) induit des comportements pseudoantidépresseurs(évalués dans le test de nage forcée) qui sont associés à une augmentation del'activité des neurones 5-HT du raphé dorsal et de la neurogenèse du gyrus denté. De plus, la DBSaigue est capable de renverser les effets du stress sur la métaplasticité synaptique hippocampique.Par ailleurs, la DBS à plus faible intensité (20 μA, 130 Hz) induit des effets pro-cognitifs, i.e. unefacilitation de la plasticité synaptique au sein de l'hippocampe dorsal et une amélioration desperformances mnésiques des rats dans le test de reconnaissance d'objet. De façon importante, ceseffets neurobiologiques sont prévenus par une lésion pharmacologique gliale avec la gliotoxine Lalpha-aminoadipic acid. Ensemble, nos données in vitro et in vivo soulignent pour la première fois lerôle crucial des astrocytes dans les mécanismes d'action de la DBS. Cette étude propose donc quel'intégrité du système glial au niveau le site de stimulation est un pré-requis majeur afin d'optimiserl'efficacité de la DBS

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal