Un accès aux représentations mentales. Voici une phrase qui pourrait bientôt devenir une réalité. La recherche sur les interfaces cerveau-Machines est un champ de recherche en plein essor. En particulier, de grandes avancées ont été réalisées pour permettre par exemple à des tétraplégiques de retrouver une relative autonomie en actionnant un bras robotique par l'activité de leur cerveau. L'équipe de Hochberg a mis en évidence un système permettant à une femme tétraplégique d'attraper une boisson et de boire. Cela montre la précision incroyable que peut avoir une prothèse artificielle pilotée par le cerveau. Ma thèse porte sur un aspect peu exploré des interfaces cerveau-Machines, celui des interfaces cerveau-Machines cognitives, c'est-À-Dire utilisant le contenu représentationnel intime de l'activité du cerveau. Son objectif est de démontrer, sur un modèle primate non-Humaine, la possibilité d'accéder en temps-Réel à ce type de contenu complexe, y compris dans un environnement en perpétuel changement. L'adaptation des interfaces cerveau-Machines dans le monde réel, où nous sommes constamment confrontés à de nouvelles informations, est critique pour son fonctionnement. Un autre aspect, très important, porte sur l'exploration et la compréhension du système nerveux au niveau populationnel en utilisant des méthodes similaires à celles utilisées pour extraire de l'information dans les interfaces cerveau-Machines. Cela nous permet d'étudier le contenu instantané et sa dynamique dans l'évolution du temps. En résumé, nous démontrons la faisabilité d'accéder en temps-Réel à des informations complexes de l'attention spatiale et de la perception visuelle. Cet accès en temps-Réel n'est que peu affecté par un environnement qui change. Le potentiel de ce type d'interfaces cerveau-Machines est immense en vue du traitement de pathologies neurologiques aigües (suite à des accidents cérébraux vasculaires ou suite à des traumatismes accidentés) ou neurodégénératives (dans la maladie d'Alzheimer ou de Parkinson, pour ne parler que des plus connues) / The field of invasive Brain Machine Interfaces (iBMI) has during the last ten years proven its enormous potential in restoring movements in paralyzed patients. The present doctoral thesis introduces a new dimension to this field by using complex cognitive behavior to drive an iBMI. In this respect, visual processes including spatial attention and perception are of special interest. This thesis project has three principal objectives: first, show the feasibility of decoding cognitive information in an offline setup. Second, evaluate the decoding of cognitive information in a real time experimental setup and third, investigate the impact of this setup in a changing environment, this both from the perspective of driving real time brain-Machine interfaces and that of understanding distributed populational neuronal codes. In line with the first objective of this thesis, an evaluation of several different classification techniques has been carried out in order to choose the best suited method for reading out cognitive information. The study provides evidence that visual information can be read out with similar performance as cognitive information. This study is the first study aiming at explicitly comparing the read out of sensory and cognitive information. The two last objectives of the present thesis are carried out on data from a new real-Time experimental setup. First we demonstrate the feasibility of real-Time readout of spatial attention and perception and we bring about a novel understanding about these two cognitive processes. Second, we show that in a changing environment, remarkable reconfigurations of prefrontal neural populations occur under certain contexts while left unaffected by other contexts. This Ph.D. thesis has taken the field of cognitive brain-Machine interfaces one step further by establishing the impact on spatial attention and perception of a changing environment. Facing the many neurological and neurodegenerative pathologies existing today, this thesis provides a steady ground for the continuation of research in this area

Ma thèse a permis de développer une nouvelle approche pour étudier, par imagerie in vivo, le comportement des cellules présentatrices d’antigènes (CPA) de la peau suite à la vaccination par voie intradermique chez le primate non-humain. Le ciblage des CPA a été réalisé par injection in vivo d’un anticorps monoclonal anti-HLA-DR fluorescent. L’effet sur les CPA d’un adjuvant (R-848, ligand du TLR7/8) et l’immuno-ciblage des cellules de Langerhans par une protéine de fusion vaccinale anti-VIH (anti-langérine-VIHGag) ont ainsi été évalués par imagerie in vivo, vidéomicroscopie confocale ex vivo et cytométrie en flux. Ce travail a contribué à améliorer nos connaissances immunologiques sur les effets locaux et précoces des vaccins et /ou adjuvants. / My pHD project allowed the development of in vivo imaging approaches to study the skin antigen presenting cell (APC) behavior post-intradermal vaccination in non-human primates. APC targeting was performed by in vivo injection of fluorescent anti-HLA-DR monoclonal antibody. The effect of an adjuvant (R-848, ligand of TLR7/8) on skin APC and the immunotargeting of Langerhans cells by anti-HIV vaccinal fusion protein (anti-langerin-HIVGag) were assessed by in vivo fluorescent imaging, ex vivo confocal videomicroscopy and flow cytometry. This work contributed to improve immunological knowledge on local and early events post-vaccination with or without adjuvant.

La compréhension des mécanismes immunologiques précoces mis en place suite à l’administration de vaccins est encore de nos jours largement méconnue. Pourtant de plus en plus d’études démontrent l’importance de ces mécanismes très précoces faisant intervenir les acteurs de l’immunité innée dans la génération d’une réponse spécifique efficace après vaccination. La peau est un organe intéressant pour l'administration de vaccins du fait de sa richesse en cellules présentatrices d'antigènes (APC), qui sont des cellules essentielles dans la mise en place de la réponse immunitaire. L'administration par voie intradermique du vaccin ADN de type auxoGTU induit des réponses immunitaires fortes et persistantes, en particulier en association avec une électroporation (EP) locale chez le macaque cynomolgus. Le but de ce travail de thèse fut de caractériser les réponses immunitaires locales précocement mises en place suite à l’administration par voie intradermique du vaccin ADN auxo-GTU en association avec une EP. Dans un premier temps, nous avons décrit les populations de cellules immunitaires présentes dans la peau normale chez le macaque cynomolgus.L'épiderme contient des cellules de Langerhans (LC) qui sont : CD1a+ CD1c- et des lymphocytes T caractérisés par l’expression du CD3. Le derme contient des cellules CD1a+CD1c-, qui présentent des similitudes avec les LC et correspondent donc probablement à des LC en migration à travers le derme. Il contient également des cellules dendritiques dermales (DDC) CD1a+CD1c+, des macrophages résidants CD163highCD11b+ et les lymphocytes T CD3+. Chez certains animaux, nous avons mis en évidence la présence de granulocytes CD66+ dans le derme sain. Les populations de cellules immunitaires identifiées chez le macaque sont similaires à celles identifiées chez l’homme malgré de légères différences phénotypiques. Cette caractérisation nous a ensuite permis d'étudier l’impact de la vaccination sur les populations immunitaires de la peau.Nous avons démontré que la vaccination induit le recrutement de granulocytes et de monocytes/macrophages inflammatoires dans l'épiderme et dans le derme, ainsi qu’un recrutement plus tardif de cellules dendritiques inflammatoires épithéliales (IDEC) dans l'épiderme. Dans l'épiderme, 24h après immunisation, nous avons observé une augmentation transitoire des LC accompagnée d’une surexpression de HLA-DR, de CD86 et de CD83, ce qui démontre leur maturation. Entre 24h et 72h, le nombre de LC diminue, ce qui suggère que les LC matures quittent l’épiderme pour migrer vers les nœuds lymphatiques. Ces événements cellulaires sont majoritairement dus à l’EP, indépendamment de la présence du vaccin à ADN. L’analyse du microenvironnement mis en place dans la peau suite à la vaccination révèle une libération de facteurs solubles pro-inflammatoires, comme MCP-1, IL-18 , IL-15, IL-8 et de facteurs solubles anti- inflammatoires comme IL-1RA et sCD40L dès 24h, dont certains sont considérablement augmentés par la présence de l’ADN vaccinal. Nos résultats suggèrent que l’EP, indépendamment de la présence de l'ADN, est suffisante pour induire la mobilisation des cellules et la maturation des DC au niveau du site de vaccination, ce qui montre un important rôle adjuvant de l’EP. Cependant, il semble que l'ADN soit nécessaire pour générer un microenvironnement favorable à l'activation optimale des APC. Ce travail fournit des éléments importants sur les mécanismes de l'inflammation locale et ouvre de nouvelles possibilités pour les stratégies vaccinales. / Mechanisms involved in early vaccine response are poorly understood. However, more and more studies show the importance of innate immunity in the very early times following vaccine administration in the generation of an optimal specific immune response. Skin is an interesting target for vaccine delivery because of its richness in antigen presenting cells (APC) which are essential cells in immune responses. The intradermal delivery of auxoGTU DNA vaccine was shown to induce strong and persistent immune responses, especially in association with electroporation in cynomolgus macaque. The aim of this work was to characterize the early local immune responses followed intradermal auxoGTU DNA vaccination in association with EP in cynomolgus macaque. In a first step, we have described immune cell populations present in the normal skin in the cynomolgus macaques. The epidermis contains CD1a+CD1c- Langerhans cells (LCs), and CD3+ T cells. The dermis contains CD1a+CD1c- cells, which present similarities with LCs and probably correspond to LC in migration through dermis. It also contains CD1a+CD1c+ dermal dendritic cells (DDCs), CD163highCD11b+ resident macrophages, and CD3+ T cells. We found CD66+ polymorphonuclear cells in healthy dermis in some of the animals. Immune cell populations in the macaque are similar to those in humans despite moderate differences in phenotype. This characterization has allowed us to study the impact of vaccination on immune populations of the skin. We have demonstrated a recruitment of granulocytes and inflammatory monocytes/macrophages in epidermis and dermis, as well as a population of inflammatory dendritic epithelial cell (IDEC) in epidermis after vaccination. In epidermis, 24h after treatment, we have observed an initial increase of LC with an up-regulation of HLA-DR, CD86 and CD83, demonstrating their maturation. Between 24h and 72h, LC number decreased, suggesting that mature LC has leaved epidermis to migrate to skin draining lymph node. All these cellular events were almost due to EP process, independently of DNA vaccine presence. The skin microenvironment reveals a release of pro-inflammatory soluble factors, as MCP-1, IL-18, IL-15, IL-8 and anti-inflammatory mediators as IL-1RA and sCD40L by 24h, all considerably enhanced in the presence of DNA.Our results suggest that EP, independently of the presence of DNA, is sufficient to induce cells mobilization and DC maturation at the vaccinated site, suggesting an important adjuvant effect of EP. However, it seems that DNA is required to generate a favorable microenvironment essential for correct APC activation. This work provides important clues to local inflammation mechanisms and opens up new possibilities for vaccine strategies.

Ce projet de thèse vise à modéliser puis à apporter la preuve de concept d’une thérapie cellulaire et génique autologue de maladies héréditaires du foie par la transplantation d’hépatocytes différenciés à partir des cellules souches pluripotentes induites (iPSC) spécifiques du patient, une fois celles-ci corrigées du défaut génétique. L’hémophilie B (HB) est une maladie héréditaire causée par une mutation du gène F9, codant le facteur IX (FIX) de la coagulation synthétisé dans le foie par les hépatocytes. Des fibroblastes d’un patient porteur de la « mutation royale » ont été reprogrammés en iPSC puis différenciés en hépatocytes. L’étude de l’ARNm du F9 par séquençage haut débit a confirmé la présence d’un site d’épissage anormal codant une protéine tronquée. D’autres iPSC ont été obtenues à partir des cellules d’un second patient HB exprimant un FIX inactif. Après insertion ciblée d’une cassette thérapeutique codant le FIX dans un site génomique sûr à l’aide d’endonucléases artificielles (CRISPR/Cas9), nous avons différencié les iPSC corrigées et non corrigées en hépatocytes (respectivement corr-HB-Heps et HB-Heps) et confirmé une expression plus importante de l’ARNm du F9 et de la protéine FIX dans les corr-HB-Heps. En revanche, nous n’avons pas détecté d’activité du FIX transgénique sans doute à cause d’une différenciation incomplète des hépatocytes. Nous avons alors développé un protocole de différenciation en sphéroïdes permettant une différenciation plus efficace confirmée aux niveaux ARN et protéine FIX. L’analyse de l’activité du FIX produit nous permettra de valider la correction in vitro avant de la valider in vivo en transplantant les corr-HB-Heps dans un modèle de souris F9KO. Finalement, la dernière partie de ce travail a consisté à développer un protocole de différenciation d’iPSC de singe en hépatocytes en vue d’une transplantation autologue dans le foie de l’animal donneur pour valider la faisabilité et la sécurité de cette approche chez le gros animal. / This PhD project aims to model and to bring a proof of concept for autologous cell/gene therapy of inherited liver diseases by transplanting hepatocytes differentiated from patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs), after correction of the genetic defect. Hemophilia B (HB) is an inherited disease caused by a mutation in the F9 gene encoding clotting factor IX (FIX), synthesized in the liver by hepatocytes. Fibroblasts of a patient with the "royal mutation" were reprogrammed in iPSCs then differentiated into hepatocytes. The study of the F9 mRNA by high-throughput sequencing confirmed the presence of an abnormal splice site leading to a truncated protein explaining hemophilia. Other iPSCs were obtained and characterized from the cells of a second HB patient expressing an inactive FIX. By targeting in these iPSCs the insertion of a therapeutic cassette encoding FIX into a safe harbor site using artificial endonucleases (CRISPR/Cas9), we differentiated the corrected and non-corrected iPSC into hepatocytes. Quantitative analyzes confirmed a higher expression of F9 mRNA and FIX protein in the corrected clones. In contrast, we did not detect transgenic FIX activity due to a lack of post-translational modifications necessary for FIX activity. We then developed a protocol of differentiation in spheroids quantitatively more efficient to produce FIX. Detection of FIX activity will validate our in vitro approach before validation in vivo by transplanting the corrected hepatocytes in a F9KO mouse model. Finally, the last part of this work consisted in the development of a differentiation protocol of nonhuman primate iPSCs into hepatocytes for autologous transplantation into the liver of the donor animal in order to validate the feasibility and the safety of such an approach in the large animal

La vaccination est considérée aujourd’hui comme une des méthodes les plus efficaces de se prémunir des maladies infectieuses. Cependant notre incapacité à produire un vaccin protégeant contre certaines maladies comme le SIDA ou l’hépatite C trahissent notre manque de compréhension des processus immuns. Cette thèse s’appuie sur une modèle primate non-humain associé à un vaccin vivant attenué dérivé du virus de la vaccine, le MVA (Modified Vaccinia virus Ankara) pour y décortiquer en détails la réponse immunitaire innée, mais aussi adaptative. Le MVA induit une importante réaction inflammatoire au niveau du site d’injection et dans le compartiment systémique par voie intramusculaire, sous-cutanée, et intradermique. Pourtant, l’amplitude de cette réaction immunitaire ainsi que les effecteurs cellulaires et moléculaires engagés varie selon la voie d’administration. Les conséquences en sont importantes, puisque cela est à l’origine d’une réponse adaptative plus orientée Th2 après voie sous cutanées, et plutôt Th1 après voies intramusculaires et intradermiques. Ainsi, nous mettons en évidence certaines signatures cellulaires et moléculaires susceptible d’orienter la réponse immunitaire dans notre modèle. / Vaccination is considered as one of the best therapeutic intervention to fight against infectious diseases. However, we still fail to develop protective vaccines for diseases such as AIDS or B hepatitis, which highlights our lack of knowledge of immune processes.For this thesis, we relied on a non-human primate model associated wih a vaccinia virus living attenuated vaccine derived called MVA (Modified Vaccinia virus Ankara). We deciphered innate, but also adaptive immune response using this model. MVA induces an important inflammatory reaction at the injection site and in the blood after intramuscular, subcutaneous, and intradermal administration. However, the magnitude of this immune reaction, as well as cellular and molecular effectorsin varies depending on the administration route. The consequences are important and lead to different adaptive immune profiles, with Th2 oriented response after subcutaneous route, and Th1 oriented response after intramuscular and intradermal route. It allowed us to highlight several cellular and molecular signatures that might modulate immune response in our model.

Introduction : L'Accident Vasculaire Cérébral (AVC) est la 1ère cause de handicap acquis chez l'adulte, dans les pays industrialisés. 20% des patients décèdent dans le mois qui suit, 75% des survivants gardent des séquelles définitives, 33% deviennent dépendant à vie. Il n'existe pour l'heure aucune thérapie de récupération quand les déficits fonctionnels sont en place hormis la rééducation. Chez l'homme, 80% des AVC thrombotiques touchent l'artère cérébrale moyenne, qui irrigue le cortex moteur primaire (M1). M1 projette des axones jusque dans la moelle épinière et forme le Faisceau Cortico Spinal (FCS). Après une atteinte de M1, ce faisceau dégénère et cela induit des déficits fonctionnels de force et de dextérité. M1 est indispensable pour les mouvements volontaires dextres garants de l'indépendance du patient. Objectif : Mise au point d'un modèle de lésion cérébrale, chez un primate non humain, le marmouset, qui permette d'évaluer la récupération fonctionnelle motrice afin d'étudier l'effet de neuro-implants. Méthode : 14 marmousets ont servi à caractériser le nouveau modèle lésionnel induit par une injection stéréotaxique d'une toxine inhibant le métabolisme cellulaire. Des tests comportementaux, évaluant le score neurologique, la dextérité et la force de traction du membre supérieur, ont permis d'évaluer la récupération fonctionnelle en phase aiguë, subaiguë et chronique jusqu'à 6 mois après la lésion. Le suivi longitudinal structural et fonctionnel de la lésion et de la récupération a été réalisé par IRM (T1, T2, DTI). Le suivi de l'intégrité du FCS a été étudié, pour la première fois chez le marmouset, grâce à une technique (ME-MRI, manganese-enhanced-MRI) utilisant un agent de contraste injecté directement dans le cortex M1, capté par les neurones et traçant les voies neuronales. Une étude pilote sur 3 marmousets a testé l'effet de neuro-implants microstructurés dans la lésion cérébrale associés à l'injection de chondroïtinase ABC (enzyme de dégradation de la matrice extracellulaire). / Introduction: Stroke is the first leading cause of acquired handicap and disability in adults in industrialized countries. 20% of patients die in the following month, 75% of survivors remain with definitive sequelae, 33% become dependent for life. No therapy in the recovery phase exists today when functional deficits are installed except rehabilitation. In human, 80% of thrombotic stroke affect middle cerebral artery, which supplies the primary motor cortex (M1). M1 projects axons to the spinal cord and forms the CorticoSpinal Tract (CST). After an M1 insult, this tract degenerates and functional deficits of force and dexterity are induced. M1 is essential for voluntary dexterous movements that make patients independent. Objective: Setting up of a cerebral lesion model in a non-human primate, the marmoset, where the functional motor recovery can be assessed in order to study thereafter the effect of neuro-implant. Methods: 14 marmosets served to characterize the new lesion model induced by stereotaxic injection of a toxin inhibiting the cellular metabolism. Behavioral tests assessing the neurological score, dexterity and pulling strength of the upper limb, could assess the functional recovery in the acute, sub-acute and chronic phases until 6 months after the lesion. The longitudinal structural and functional follow-up after the lesion and during the recovery was done with MRI (T1, T2, EPI, DTI). The follow-up of the integrity of the CST was studied for the first time in the marmoset with a technic (ME-MRI, manganese-enhanced-MRI) using a contrast agent injected directly in the cortex M1, taken up by neurons and that traced neuronal tracts. A pilot study on 3 marmosets tested the effect of micro-patterned neuro-implants in the cerebral lesion associated with the injection of chondroïtinase ABC (enzyme of extracellular matrix degradation).

Une question fondamentale en neuroscience, ainsi que dans de nombreuses disciplines s’intéressant à la compréhension du comportement, telles que la psychologie, l’Economie, et la sociologie, concerne les processus décisionnels par lesquels les animaux et les humains sélectionnent des actions renforcées positivement ou négativement. Les processus décisionnels ainsi que leur base neuronale demeurent mal compris. D’autre part de nombreuses études ont révélé que les humains ainsi que les animaux prennent souvent des décisions sous-optimales. Notre principal objectif a été de comprendre la raison de ces comportements sous-optimaux. Par ailleurs, l’altération des processus sous-tendant la prise de décision, entraîne des pathologies. La compréhension des mécanismes décisionnels est essentielle au développement de stratégies de traitements plus efficaces. Dans cette étude nous avons proposé une nouvelle approche de l’étude des comportements décisionnels, basée sur l’hétérogénéité des préférences créées au cours de l’apprentissage du choix. Puis nous avons corrélé l’activité du putamen et du globus pallidus interne aux comportements préalablement décrits. Nos résultats montrent que bien que les primates apprennent à identifier la meilleure option et convergent vers une stratégie optimale dans un nombre important de sessions, ils n’arrivent pas en moyenne à optimiser leur comportement. Nous avons montré que ce comportement suboptimal des primates est caractérisé par la création de préférences irrationnelles par ces derniers pour des paramètres non pertinents de l’environnement. Nous avons finalement montré que bien qu’un faible nombre de neurones du putamen encode la valeur de l’action, leur contribution à l’activité de population est faible. L’activité du putamen reflète les futures performances des primates et prédit donc la formation des comportements irrationnels et rationnels. / A fundamental question in neuroscience, as well as in various fields such as economics, psychology and sociology, concerns the decision making processes by which animals and humans select actions based on reward and punishment. Both decision making processes and their neural basis are still poorly understood. Also, both human and animals often make suboptimal decisions in many tasks studied. Our first aim is to improve the understanding of why such sub-optimal decisions are made. Also, the alteration of decision making processes causes diseases, the understanding of whose mechanisms is essential in developing better treatment strategies. In this report, we propose a new approach which consists in extracting the neural substrates of choice behavior heterogeneity in between sessions. Our results show that although primates learn on average to identify the best option and converge to an optimal policy in a consequent number of sessions, they fail on average to optimize their behavior. We revealed that this suboptimal behavior was characterized by an unexpected high behavioral heterogeneity during the task that was due to the creation of irrelevant preferences by the monkeys. We finally show that although a few neurons of the putamen encode the action value, their contribution to the overall population activity is weak. Putamen activity rather reflects the futures performances and predicts the creation of rational and irrational behaviors.

A travers ce projet de recherche nous avons exploré différents aspects d’une dérégulation du système dopaminergique sur les troubles du repos, en prenant pour exemple deux maladies neurologiques : la maladie de Willis-Ekbom (MWE) et la maladie de Parkinson (MP). La MWE est une maladie neurologique sensorimotrice caractérisée par des douleurs dans les membres inférieurs, s’accompagnant d’un besoin irrépressible de bouger et ce, suivant un profil circadien. Ainsi, le premier volet de ces travaux s’est appliqué à reproduire chez le macaque, les principales altérations du métabolisme du fer et de celui de la dopamine reportées dans la MWE. Tout d’abord, nous avons établit les bases physiologiques des variations circadiennes des concentrations du fer et de ses biomarqueurs au niveau central et périphérique. Puis, nous avons développé un protocole simple, uniquement basé sur des prélèvements sanguins répétés, permettant d’induire efficacement une déplétion en fer sérique et de ses protéines associées. Finalement, ce protocole nous a permis d’explorer les liens entre l’altération de l’homéostasie du fer au niveau du système nerveux central, les perturbations neurochimiques dans différentes structures cérébrales ainsi que les modifications locomotrices qui en résultent. Le second volet de cette thèse a testé l’impact des agonistes des récepteurs dopaminergiques de type D1 (SKF38393) et D2 (quinpirole), sur les troubles du sommeil dans un modèle macaque de la MP, à l’aide d’enregistrements polysomnographiques. Pour cela, nous avons évalué les effets de ces agents pharmacologiques sur l’émergence de la somnolence diurne et sur l’altération du sommeil paradoxal, induits par une intoxication au MPTP. Nos résultats mettent en évidence que le quinpirole est inefficace pour restaurer les niveaux de base de ces deux paramètres. En revanche, le SKF38393 permet une diminution notable de la somnolence diurne ainsi qu’une restauration du sommeil paradoxal. Finalement, les perturbations monoaminergiques liées à la déplétion en fer ouvrent de multiples perspectives de recherche sur la physiopathologie de la MWE. De même, l’amélioration des troubles veille-sommeil par l’agoniste des récepteurs D1, offre de nouvelles pistes thérapeutiques quant à la prise en charge des troubles du repos dans la MP. L’ensemble de nos résultats apporte un niveau de compréhension supplémentaire quant au rôle de la dopamine dans les altérations du repos. / During this thesis project we explored several aspects of the impact of a dopaminergic system dysregulation on the rest alterations, through two neurological diseases: the Willis-Ekbom’s disease (WED) and Parkinson’s diseases (PD). The WED is a neurological sensorimotor disorder mainly characterized by pain in lower limbs. It preferentially appears in the evening and transiently and partially is alleviated by motor activity. Thus, the first part of this work aimed at reproducing the main dysfunctions of the iron and dopaminergic metabolisms observed in WED, in the macaque monkey. We first established the circadian variations of iron-indicator concentrations in serum and cerebrospinal fluid. Then we developed a rapid protocol based on repeated blood withdrawals, allowing to efficiently induce serum iron depletion. Finally, this protocol enabled us to investigate the relationship between iron metabolism dysfunctions, neurochemical alterations and the subsequent locomotor behavioural changes. In the second part, of this research project we examined the impact of selective D1 (SKF38393) and D2 (quinpirole) receptor agonists on the sleep impairments in a macaque model of PD using the polysomnographic recording technique. Thus we investigated the effects of these two pharmacological compounds on the daytime sleepiness and on the paradoxical sleep induced by MPTP intoxication. Our results demonstrated the inefficacy of quinpirole to restore these two altered sleep parameters. By contrast, SKF38393 significantly decreased daytime napping and substantially restored paradoxical sleep. Finally, the monoaminergic dysregulations, induced by iron depletion, may offer multiple perspectives to unravel the WED pathophysiology. In the same line, the beneficial effects exhibited by the D1 receptor agonist bring new therapeutic avenues to treat sleep-wake disorders in PD. Together, the global results bring new insights in the underlying mechanisms of sleep impairment involving dopamine.

Mon projet de thèse a porté sur les mécanismes neurodégénératifs dans le contexte de la maladie de Parkinson (MP). Cette maladie est caractérisée notamment par la présence d’inclusions intracytoplasmiques appelées corps de Lewy, dont le composant protéique principal est l’α-synucléine. L’absence de traitements curatifs à ce jour renforce la nécessité de comprendre les processus neurodégénératifs. L’objectif de mon travail de thèse fut de proposer une approche multifactorielle, translationnelle, basée sur trois axes complémentaires: modélisation, thérapeutique et mécanistique. Premièrement, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la MP par l’utilisation de vecteurs viraux. Cette première partie nous a permis de conclure que le vieillissement ne constitue pas un facteur de risque pour les trois espèces étudiées. Ensuite, nous avons étudié deux stratégies pour combattre la dysfonction lysosomale existant chez les patients, premièrement par une approche biotechnologique avec des nanoparticules permettant de restaurer le pH des lysosomes dysfonctionnels, et une stratégie de thérapie génique par surexpression d’un régulateur de la biogénèse lysosomale. Grâce à ce travail, nous avons démontré l’intérêt du lysosome comme cible thérapeutique. Enfin, nous nous sommes focalisés sur l’hypothèse « prion » pour les synucléinopathies. Dans ce projet, nous avons mis en œuvre une approche de modélisation chez le primate non-humain ainsi qu’une une approche thérapeutique anti-agrégative chez le rongeur. Ces travaux mettent en évidence le rôle clé de l’α-synucléine dans l’étiologie de la MP et proposent des pistes d’améliorations des modèles animaux actuels ainsi que des approches thérapeutiques innovantes / The aim of this work was to focus on neurodegenerative mechanisms in the context of synucleinopathies, especially on Parkinson’s disease (PD). PD is characterized by the loss of dopaminergic neurons and the presence of intracytoplasmic proteinaceous inclusions named Lewy Bodies of which α-synuclein (α-syn) is the main protein component. To date, there are no curative treatments. Elucidating mechanisms underlying neurodegeneration in PD will allow the identification of new molecular targets for therapeutic intervention. My Ph.D. work intends multifactorial and translational approaches based on modelling, therapeutic intervention and mechanistic studies. We first focused on the development of new animal models of PD based on the use of viral vector-mediated overexpression of α-syn. This word allowed us to conclude on the absence of additive effect of ageing in α-syn-related toxicity, at least in the three investigated species. Then, we worked on two therapeutic strategies to overcome the lysosomal dysfunction occurring in PD. To do so, we first developed a biotechnological approach based on the use of acidic nanoparticles restoring acidic pH of sick lysosomes, and then we used a gene therapy approach based on the overexpression on a central modulator lysosomal biogenesis. We here demonstrated the interest of restoration of lysosomal physiology. Finally, we tested the “prion-like” hypothesis in a cohort of nonhuman primates and assessed the efficacy of a therapeutic approach using an oligomer modulator in mice. This work highlights the central role of α-syn in PD etiology and offers innovative strategies for both modelling and therapeutic intervention.

La transplantation d'hépatocytes représente une alternative à la transplantation hépatique pour le traitement de certaines maladies métaboliques dont l'hypercholestérolémie familiale. Les cellules souches embryonnaires (ES) et les cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines représentent de nouvelles sources de cellules hépatiques. Nous avons mis au point une approche de différenciation des cellules souches humaines en cellules hépatiques et généré ainsi des cellules dérivées de cellules iPS de patients atteints d'hypercholestérolémie familiale.