Le gène NR4A2 est un membre de la super famille des récepteurs nucléaires qui sont des facteurs de transcription activés par un ligand, tel que hormone stéroïde, rétinoïde ou hormone thyroïdienne. Cependant au sein de cette super famille, un groupe de facteurs, dont NR4A2 fait parti, ne possèdent pas de ligand identifié, c’est pourquoi ils sont dits orphelins. Le récepteur NR4A2, qui est un gène à réponse immédiate, induit par différents stimuli, est largement exprimé dans le cerveau. La description de son expression pendant le développement chez la souris montre que sa distribution anatomique va de pair avec certains neurones à dopamine. Afin d’étudier sa fonction, des souris (NR4A2 -/-) ont été générées. L’analyse de ces souris a montrée que l’absence de ce gène altère le développement et le maintien des neurones dopaminergiques de la substance noire et de l’aire tegmentaire ventrale, ainsi que l’expression de plusieurs gènes marqueurs du phénotype dopaminergique. Ces résultats ont placés NR4A2, au rang des gènes d’intérêt dans l’étude de la neuro-dégénérescence des neurones dopaminergiques impliquée dans la maladie de Parkinson. Pourtant, la description de l’expression de ce facteur chez le poisson, montre, que bien qu’il soit exprimé dans des régions dopaminergiques, il est aussi largement exprimé dans des régions qui ne sont pas dopaminergiques. L’analyse de NR4A2 par perte de fonction transitoire chez le poisson Danio rerio, sujet de ce mémoire, a permit de mettre en évidence certains aspects inconnus des fonctions de ce récepteur nucléaire. Ainsi, le gène NR4A2 régule l’expression d’un gène inhibiteur de CDK et l’expression d’un inhibiteur de neurogenèse. Par ce biais NR4A2 régule l’expression de gènes dits proneuraux, car exprimés dans les progéniteurs des neurones. Ces gènes proneuraux sont connus pour participer à la spécification cellulaire, à la sous spécification et à la différenciation de plusieurs phénotypes neuronaux. Ainsi, le gène NR4A2 induit chez Danio rerio le phénotype dopaminergique, mais il participe aussi à l’induction du neuro-phénotype NPY, du neuro-phénotype sérotoninergique et du neuro-phénotype Gabaergique. Ces nouvelles données in vivo font de NR4A2 un acteur important de la neurogénèse dont le rôle s’avère beaucoup plus large que ce qui était supposé jusqu’à présent. / The gene NR4A2 is a member of the great family of the nuclear receptors which are factors of transcription activated by a ligand, such as hormone steroid, rétinoide or thyroid hormone. However within this great family, a group of factors, NR4A2 of which makes left, does not possess an identified ligand, this is why they are said orphans. The receptor NR4A2, an immediate early gene, induced by different stimuli, is widely expressed in the brain. The description of its expression during the development to the mouse shows that its anatomical distribution goes together with certain dopaminergics neurons. To study its function, mice (NR4A2-/-) were generated. The analysis of these mice showed that the absence of this gene alters the development and the preservation of dopaminergics neurons in substancia nigra and in ventral tegmental area, as well as the expression of several genes markers of the dopaminergic phenotype. These results placed NR4A2, to the rank of the genes of interest in the study of the neuro-degeneration of dopaminergics neurons involved in the Parkinson's disease. Nevertheless, the description of the expression of this factor in fish, shows, that although it is expressed in dopaminergics regions, it is also widely expressed in regions which are not dopaminergic. The analysis of NR4A2 by loss of function in the fish Danio rerio, the subject of this thesis, has allowed bringing to light certain unknown aspects of the functions of this orphan nuclear receptor. So, the gene NR4A2 regulates the expression of an inhibitive gene of CDK and the expression of an inhibitor of neurogenesis. By this way NR4A2 regulates the expression of said proneuraux genes, because expressed in neuron’s progenitors. These proneural genes are known to participate in the cellular specification, in sub-specification and in the differentiation of several neuronal phenotypes. So, the gene NR4A2 leads to the dopaminergic phenotype in Danio rerio, but it also participates in the induction of the neuro-phenotype NPY, the serotoninergic neuro-phenotype and the neuro-phenotype Gabaergique. These new in vivo data make of NR4A2 an important actor of the neurogenesis whose role turns out much wider than what was supposed until now.

D'après le postulat de Hebb, les réseaux neuronaux adaptent leur connectivité sous l'influence des activités pré- et post-synaptiques. La " spike-timing-dependent plasticity " (STDP) est une règle d'apprentissage synaptique de type Hebbien, qui repose sur la structure temporelle précise des patrons d'activités appariées de part et d'autre de la synapse. La plasticité cortico-striatale serait le substrat biologique de l'apprentissage procédural effectué par les ganglions de la base. Les neurones de sortie du striatum agissent comme des détecteurs de coïncidence des activités corticales et thalamiques. La STDP cortico-striatale pourrait donc jouer un rôle crucial dans les processus d'encodage de l'apprentissage et la mémoire procédurale. Nous avons exploré les conditions d'émergence et d'expression de la STDP cortico-striatale. / According to Hebbian theory, neural networks refine their connectivity by patterned firing of action potentials in pre- and postsynaptic neurons. Spike-timing-dependent plasticity (STDP) is a synaptic Hebbian learning rule relying on the precise order and the millisecond timing of the paired activities on either side of the synapse. Temporal coding via STDP may be essential for the role of the striatum in learning of motor sequences in which sensory and motor events are associated in a precise time sequence. Corticostriatal long-term plasticity provides a fundamental mechanism for the function of the basal ganglia in procedural learning. Striatal output neurons act as detectors of distributed patterns of cortical and thalamic activity. Thus, corticostriatal STDP should play a major role in information processing in the basal ganglia, which is based on a precise time-coding process. Here, we explored the conditions required for the emergence of corticostriatal STDP.

La dopamine (DA) contrôle l'apprentissage lié à la récompense en régulant l'activité et la plasticité de la transmission corticostrialale. Les effets à long terme de la DA impliquent des changements dans la transcription des gènes. Le but de ce travail de thèse est d'étudier les changements transcriptionnels produit dans le striatum ventral, dorsal et cortex préfrontal, par un protocole d'apprentissage opérant ou après une activation du système de la récompense par des injections de cocaïne. Les neurones épineux moyens du striatum peuvent être séparé en deux populations fonctionnelles sur la base de l'expression du récepteur de type 1 de la DA (D1R) ou de type 2 (D2R). Des souris transgéniques expriment une protéine ribosomale étiqueté avec la GFP sous le contrôle du promoteur de D1R ou D2R ont été utilisés afin d'isoler les ARN messagers (ARNm) des neurones D1 ou D2. La première partie de ce travail est centré sur la comparaison de l'expression des gènes dans les différentes populations neuronales exprimant le D1R ou D2R appartenant aux différentes régions d'intérêt, ce qui apporte une caractérisation précise nouvelle des neurones cibles de la DA. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé les modifications produites dans chaque population neuronale par une stimulation passive du système de récompense (traitement chronique à la cocaïne) ou un recrutement actif (apprentissage opérant pour la nourriture). / Dopamine (DA) controls movement execution, action selection, and incentive learning by regulating the activity and plasticity of corticostriatal transmission. Long-term modifications require changes in gene transcription. The aim of this work is to study the changes in transcriptions following an operant learning protocol or mimicking stimulation of the reward system with cocaine in the dorsal striatum and the nucleus accumbens in the striatum, and in the prefrontal cortex. The medium-size spiny striatal projection neurons (SPNs) can be divided into 2 different populations based on the expression of the D1 or D2 DA receptor that participate in distinct pathways, which have opposite functional effects on their target regions. We used transgenic mice that express a tagged ribosomal protein (L10a-EGFP) under control of the D1 or D2 receptor promoter to isolate currently translated mRNA and nuclei from each population of SPNs, as well as from D1 neurons of the prefrontal cortex following passive stimulation of the reward system (chronic treatment with cocaine) and active recruitment of the reward system (operant learning for food). Firstly we compared the basal gene expression in the different neuronal populations characterized by the expression of D1 or D2 receptors and their regional localization. We identified hundreds of differentially expressed mRNA providing a precise characterization of the cellular and regional differences. In the second part, we characterized the changes induced in each neuronal population by a 1-week exposure to cocaine or after operant training for food.

Contexte : […], le mode d'interaction entre les signaux corticaux et striataux reste flou. Dans la présente thèse, nous avons d’abord saisi l’opportunité d’enregistrements stéréoélectroencéphalographiques chez des patients atteints d’épilepsie pharamcorésistante pour analyser qualitativement et quantitativement l’activité ictale du striatum. Deuxièmement, nous avons créé un modèle primate de crises motrices focales sous-corticales induites par des injections striatales antagonistes GABAergiques. Première étude : Patients et méthode : onze patients ayant subi une évaluation SEEG ont été inclus prospectivement s'ils remplissaient deux critères d'inclusion: i) au moins un contact explorait le striatum, ii) au moins deux crises avaient été enregistrées. Les régions d'intérêt corticales et sous-corticales ont été définies et différentes périodes d'intérêt ont été analysées. Les signaux SEEG ont été inspectés visuellement et une analyse de corrélation non linéaire h2 a été réalisée pour étudier la connectivité fonctionnelle entre les régions corticales d’intérêt et le striatum. Résultats : Deux patterns principaux d'activation striatale ont été enregistrés : le plus fréquent était caractérisé par une activité alpha / bêta précoce débutant dans les cinq premières secondes suivant le début de la crise. Le second était caractérisé par une activité thêta / delta tardive plus lente. Une différence significative des indices de corrélation h2 a été observée au cours de la période préictale et début de crise par rapport au tracé de fond pour l'indice striatal global, l'indice mésio-temporal / striatal, l'index latérotemporal / striatal, l'index insulaire / striatal, l'index préfrontal / striatal. En outre, une différence significative des indices de corrélation h2 a été observée pendant la période de fin de crise par rapport à toutes les autres périodes d’intérêt. Deuxième étude : Matériel et méthode : Des injections antagonistes aiguës de GABAergic (bicuculline) ont été réalisées sur trois Macaca fascicularis dans la partie sensorimotrice du striatum. Les modifications comportementales ont été enregistrées et scorées selon une échelle de Racine modifiée. L'électromyographie, l'électroencéphalographie, les potentiels de champ locaux des noyaux gris centraux ont été enregistrés au cours de chaque expérience. Une analyse de retromoyenage a été effectuée pour chaque session enregistrée. Résultats: sur les 39 injections de bicuculline, 29 (74,3%) ont produit des changements comportementaux reproductibles caractérisés par des secousses myocloniques répétitives et pseudopériodiques avec des crises tonico-cloniques généralisées. Les injections de NaCl n'ont jamais entraîné de changement de comportement. Les secousses myocloniques étaient clairement détectables sur le signal EMG sous la forme d'une courte bouffée stéréotypée concomitante de pointes épileptiques anormales enregistrées sur l'EEG. Une analyse de rétromoyennage à partir des myoclonies EMG a montré que l'activité électrophysiologique commençait significativement plus tôt dans le striatum (p <0,0001), le GPe (p <0,0003) et le GPi (p <0,0086) que dans le cortex. Conclusion : Ces modifications du niveau de synchronisation entre les activités corticales et striatales pourraient s’inscrire dans un mécanisme endogène contrôlant la durée des oscillations anormales au sein de la boucle striato-thalamo-corticale et, de fait leur terminaison. Les interneurones GABAergic de type fast-spiking pourraient jouer un rôle crucial dans la synchronisation du réseau cortico-striato-thalamique et une modification GABAergique brutale du striatum peut provoquer une crise focale. Le rôle joué par les noyaux gris centraux dans le renforcement des mécanismes sous-jacents à la cessation de la propagation ictale devrait inspirer de nouveaux schémas de stimulation cérébrale profonde chez les patients atteints d'épilepsies focales pharmacorésistantes non chirurgicales. / Background: Although a number of experimental and clinical studies have pointed out participation or an even more prominent role of basal ganglia in focal seizures, the mode of interaction between cortical and striatal signals remains unclear. In the present thesis, we first we took the opportunity of stereoelectroencephalographic recordings in drug-resistant epilepsy patients, to qualitatively and quantitatively analyse the ictal striatum activity. Secondly, we created a primate model of subcortical focal motor seizures induced by GABAergic antagonist striatal injections First study: Patients and method: eleven patients who underwent SEEG evaluation were prospectively included if they fulfilled two inclusion criteria: i) at least one orthogonal intracerebral electrode contact explored the basal ganglia, in their either putaminal or caudate part, ii) at least two SEEG seizures were recorded. Cortical and subcortical regions of interest were defined and different periods of interest were analysed. SEEG was visually inspected and h2 non-linear correlation analysis performed to study functional connectivity between cortical region of interest and striatum. Results: Two main patterns of striatal activation were recorded: the most frequent was characterised by an early alpha/beta activity that started within the first five second after seizure onset. The second one was characterised by a late slower, theta/delta activity. A significant difference in h2 correlation indexes was observed during the preictal and seizure onset period compared to background for global striatal index, mesio-temporal/striatal index, latero-temporal/striatal index, insular/striatal index, prefrontal/striatal index. In addition, a significant difference in h2 correlation indexes was observed during the seizure termination period compared to all the other periods of interest. Second study: Material and method: Experiments were performed on three fascicularis monkeys. Acute GABAergic antagonist (bicuculine) injections were performed within the sensorimotor part of the striatum. Behavioural modifications were recorded and scored according to a modified Racine’s scale. Electromyography, electroencephalography, basal ganglia local field potentials were recorded during each experiment. A backaveraging analysis was performed for each recorded session. Results: over the 39 Bicuculline injections, 29 (74.3%) produced dramatic reproducible behavioural changes characterised by repetitive and pseudo-periodic myoclonic jerks with generalised tonic-clonic seizures. NaCl injections never produced any behavioural changes. Myoclonic jerks were clearly detectable on the EMG signal as short stereotypical EMG burst concomitant from abnormal epileptic spikes recorded on EEG. Back averaging analysis from EMG myoclonia showed that electrophysiological activity started significantly earlier in the striatum (p < 0.0001), the GPe (p < 0.0003) and the GPi (p < 0.0086) than in the cortex. Conclusion: These changes in synchronisation level between cortical and striatal activity might be part of an endogenous mechanism controlling the duration of abnormal oscillations within the striato-thalamo-cortical loop and thereby their termination. GABAergic fast-spiking interneurones might play a crucial role synchronising the cortico-striato-thalamic network and a drastic GABAergic modification of the striatum can induce focal seizures. The role of the basal ganglia role in strengthening mechanisms underlying cessation of ictal propagation should inspire new rationales for deep brain stimulation in patients with intractable focal epilepsy.

Pour pouvoir être autonomes dans un environnement complexe, les humains comme les systèmes artificiels doivent posséder un apprentissage souple et capable de s’adapter au changement. Dans cette thèse, nous nous intéressons à comment cette autonomie peut être obtenue par interactions entre les différents systèmes d’apprentissage de notre cerveau. Pour cela, nous modélisons dans une approche inspirée de la biologie le comportement de certaines des parties du cerveau impliquées dans les apprentissages répondant et opérant, et observons comment leurs interactions permettent un apprentissage flexible dans des tâches impliquant des changements comme l’extinction et le reversal. / In a complex environment, humans and artificials systems need a flexible learning system to adapt themselves to situations which can change. In this thesis, we study how autonomy can be the result of interactions between the different learning systems of our brain. In particular, in a biologically inspired approach, we model different parts of the brain involved in respondant and operant conditioning, et show how their interactions can promote flexible learning in tasks in which situation can change, like extinction or reversal.

Dès les stades précoces du développement et jusqu’à l’âge adulte, le facteur de transcription TSHZ3 est fortement exprimé dans les neurones pyramidaux (PNs) du cortex. Les PNs de la couche V forment la synapse cortico-striée en contactant les neurones épineux moyens (MSNs) du striatum. A ce niveau, l’expression de TSHZ3 n’est pas retrouvée dans les MSNs mais dans les interneurones cholinergiques (CINs). Des données récentes ont établi un lien entre délétion hétérozygote du gène TSHZ3/Tshz3, troubles du spectre autistique (TSA) et dysfonctionnement de la circuiterie cortico-striée (Caubit et al., Nat Genet 2016). Afin de mieux comprendre le rôle de TSHZ3 dans la circuiterie cortico-striée, nous avons caractérisé deux modèles murins de délétion conditionnelle de Tshz3, ciblant soit les neurones de projection à partir de la période postnatale (souris Tshz3-pnCxKO), soit les neurones cholinergiques à partir de la période embryonnaire (souris Tshz3-ChATCre). Chez les souris Tshz3-pnCxKO, la perte de TSHZ3 entraîne une moindre excitabilité des PNs de la couche V, ainsi qu’une diminution de la probabilité de libération du glutamate par leurs afférences. Nous montrons également une profonde altération du fonctionnement de la synapse cortico-striée. Chez les souris Tshz3-ChATCre, nous montrons que la perte de Tshz3 modifie les propriétés membranaires et de décharge d’une proportion des CINs, qui sont les seuls neurones cholinergiques de l'encéphale exprimant TSHZ3 de façon importante. Ces changements fonctionnels suggèrent que TSHZ3 joue un rôle clé dans le développement des PNs du cortex, de la voie cortico-striée et des CINs, confirmant son implication dans les TSA. / The zinc-finger transcription factor TSHZ3 is highly expressed by cortical projection neurons (PNs) from embryonic stages to adulthood, including layer V pyramidal neurons that project to the striatum. There, TSHZ3 is expressed by cholinergic interneurons (CINs) but not by the main targets of PNs, i.e. the medium spiny neurons. Interestingly, recent evidences link heterozygous TSHZ3/Tshz3 gene deletion to autism spectrum disorder (ASD) and to corticostrial circuitry dysfunction (Caubit et al., Nat Genet 2016). In order to provide further insights on the role of Tshz3 in the corticostriatal circuitry, we have characterized two conditional KO mouse models in which its expression is lost either in projection neurons at early postnatal stage (Tshz3-pnCxKO) or in cholinergic cells beginning at embryonic stage (Tshz3-ChATCre). In Tshz3-pnCxKO mice, we confirmed that Tshz3 expression is lost in glutamatergic PNs without altering their number. Our electrophysiological study revealed that layer V PNs are less excitable and that glutamate release probability from their afferents is decreased. We also found dramatic changes of both corticostriatal synaptic transmission and plasticity. In ChAT-Cre mice, we found that Tshz3 is expressed in the striatum by almost 100% of CINs, while it is little or no expressed in the other cholinergic nuclei of the brain. Interestingly, the loss of Tshz3 impacts the spontaneous firing pattern of a subpopulation of CINs without altering their number. These functional changes suggest that TSHZ3 plays a key role in PNs, corticostriatal pathway and CINs development, supporting its implication in ASD.

Les ganglions de la base (BG) sont un ensemble de noyaux qui contrôle des taches fondamentales de la vie quotidienne, notamment le control des mouvements, ainsi que l’apprentissage et le reward. En particulier, le striatum est le noyau principal des BG et le majeur relais d’input. Il est formé par deux sous-types de neurones de projection (SPN) qui modulent l’activité de sortie des BG directement (dSPN) ou indirectement (iSPN) via d’autres structures. Les deux populations sont intermelangés, ce qui permet l’activation parallèle des deux voies. Une perte d’équilibre entre l’activité des dSPN et des iSPN est partie de l’étiologie de plusieurs neuropathies des BG, y compris la maladie de Parkinson et celle de Huntington. Malgré l’importance fonctionnelle de ces neurones, on a une connaissance très incomplète de comment les deux sous-types sont spécifiés au cours du développement; de plus, la question de comment les deux sous-types se mélangent pour former l’architecture fonctionnelle du striatum reste à élucider. Utilisant une combinaison unique d’outils génétiques disponible dans la souris, j’ai montré que les dSPN et iSPN sont spécifiés dés très tôt et diffèrent dans leur distribution dans le striatum embryonnaire pour s’intermélanger progressivement. De plus, je montre que ce processus de mélange repose sur l’expression du facteur de transcription Ebf1, un gène qui est exprimé spécifiquement dans le dSPN et contrôle aussi l’intégration de ces derniers dans les circuits des BG. Mes résultats fournissent un nouveau contexte pour investiguer les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’assemblage du striatum et donnent des informations essentielles pour la génération de neurones striataux in vitro. Une autre population des BG, les neurones du corridor, ont la même origine que les SPN; cependant, au lieu de migrer vers le striatum, ces neurones forment une structure provisoire qui est cruciale pour former la capsule interne, un des majeurs faisceaux d’axones dans le cerveau des mammifères. Malgré leur importance pour le développement de la connectivité cérébrale, on ne sait pas si ces neurones jouent aussi un rôle dans le cerveaux adulte. À travers une combinaison de fate mapping génétique et d’analyse moléculaire à différent stades du développement, je montre que ces neurones contribuent à des noyaux spécifiques de l’amygdale étendue, une structure impliquée dans le control de la peur et de l’anxiété. Ces résultats montrent que les neurones du corridor pourraient contribuer à la régulation de l’anxiété et améliorent notre connaissance sur la formation de ces structures, qui sont très conservés au cours de l’évolution et qui ont un grand intérêt pathologique. Pris dans l’ensemble, mes résultats fournissent non seulement des nouvelles et très importantes informations sur la façon dont les circuits des BG sont formés, mais déterminent un nouveau cadre conceptuel pour investiguer le développement et la connectivité du cerveau antérieur. / Basal ganglia (BG) are a set of brain nuclei that control crucial aspects of everyday life such as motor control, habit learning and reward. In particular, the striatum is the biggest nucleus and input station of BG. It is formed by two subsets of projection neurons (SPN) that modulate BG output activity either directly (dSPN) or indirectly via other BG structures (iSPN). The two populations are intermixed, allowing parallel activation of the two pathways. Impaired balance of dSPN and iSPN activity is part of the aetiology of many BG neuropathies, including Parkinson’s and Huntington’s diseases; however, to date we have poor knowledge on how the two subtypes are specified and how they intermix during development. Using a unique combination of mouse genetic tools, here I show that dSPN and iSPN are specified early as independent populations, have different early distribution and gradually intermix. Moreover, I show that the process of intermix relies on expression of transcription factor Ebf1 in dSPN, a gene that also controls dSPN ability to integrate in BG circuits. These findings provide a new framework to investigate the molecular mechanisms controlling striatal mosaic assembly and will provide instrumental to generate fully formed striatal neurons in vitro. Another BG population, corridor neurons, shares common origin with SPN; however, instead of migrating toward the striatum, these cells form a transient corridor (Co) that is crucial for the formation of the internal capsule, a major axonal pathway in mammals. Despite their importance for brain wiring, whether Co cells also play a role in the adult brain is unknown. Through a combination of genetic fate map and in vivo timecourse, I surprisingly show that these cells participate to specific nuclei of the central extended amygdala, a structure implicated in anxiety and fear response. This finding indicates that Co neurons might contribute to anxiety regulation and sheds new light on the formation of evolutionarily conserved structures of great behavioral and clinical interest. Taken together, my findings not only provide new and critical information on neuronal migration and circuit formation in the BG, but also a new conceptual framework to investigate the formation of nuclear structures of the anterior brain.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative avec une transmission dominante, qui entraîne la mort dans les 15 à 20 ans suivant les premiers signes pathologiques. Le gène muté dans la MH contient une répétition de trinucléotide CAG instable qui code pour une expansion de polyglutamine (polyQ) dans la protéine huntingtine (HTT). Lorsque le gène code pour une protéine avec plus de 35 glutamines, il déclenche un dysfonction puis une mort neuronale notamment dans le striatum et le cortex, entrainant l'apparition de symptômes cognitifs, psychiatriques et moteurs. HTT est exprimée dans de nombreux tissus et est impliquée dans diverses fonctions cellulaires. Il est admis que dans la MH, l'expansion polyQ conduit à un gain de nouvelles fonctions toxiques, mais également à une perte des fonctions neuroprotectrices de HTT sauvage. Avant même l'apparition des premiers symptômes, des dysfonctions existent au sein du réseau neuronal corticostriatal. Cependant, les études in vivo des dysfonctions précoces au sein de ce réseau sont techniquement difficiles à l’échelle cellulaire.Le premier enjeu de ma thèse a été de reconstituer et de caractériser in vitro le réseau corticostriatal. Pour cela nous avons utilisé une plateforme microfluidique, compatible avec de la vidéomicroscopie haute résolution, dans laquelle chaque compartiment est identifié et où la progression de la croissance axonale à la formation des synapses est régulée. Nous avons observé des défauts majeurs au sein des différents compartiments du réseau corticostriatal, de la dynamique présynaptique à des défauts de structure et de transmission synaptiques, ainsi que des dysfonctions du trafic et des voies de signalisation post-synaptique. De manière intéressante, nous avons montré que le statut génétique du compartiment présynaptique était nécessaire et suffisant pour altérer ou restaurer le réseau corticostriatal.Le second aspect de ma thèse a été d’étudier la dynamique intracellulaire, depuis le réticulum endoplasmique jusqu’au compartiment final, au sein de cellules modèles de la MH. Pour cela nous avons utilisés le système RUSH (Retention Using Selective Hooks) couplé à une molécule utilisant la voie standard de biosynthèse des protéines. Au sein de cellules modèles de la MH, la dynamique intracellulaire est perturbée. L’utilisation de molécules inhibitrices d’une classe d’enzyme au sein de cellules modèles de la MH, est capable de restaurer une dynamique intracellulaire. En particulier, grâce au système microfluidique, nous avons montré qu’une molécule a la capacité de restaurer un réseau corticostriatal sauvage. Les études pharmacologiques de passage ont montré que cette molécule a un haut pouvoir de passage de la barrière hémato encéphalique. Le traitement pendant un mois de souris modèles de la MH et l’analyse de leur coordination motrice et de leur état anxiodépressif suggère que cette molécule est capable d’améliorer les symptômes chez les souris MH.Ces travaux ont permis de mettre en évidence 1/ l’importance du cortex comme région d’intérêt thérapeutique dans la MH, et 2/ le trafic de protéines comme une nouvelle cible thérapeutique. / Huntington Disease (HD) is a mid-life onset inherited neurodegenerative disorder that leads to death within 15 to 20 years after appearance of the first symptoms. The defective gene in HD contains an unstable trinuocleotide CAG repeat which encodes for a polyglutamine stretch (polyQ) in the huntingtin (HTT) protein. When the number of glutamines coded by the gene exceeds 35 repeats, it triggers neuronal dysfunction and death, affecting in particular the striatum and the cortex, causing cognitive, psychiatric, and motor symptoms. HTT is widely expressed and it is involved in numerous functions. In HD, it is accepted that, the polyQ strech leads to a gain of toxic functions, and converselyto a loss of neuroprotective functions of wild-type HTT. Long before the appearance of the first symptoms, dysfunctions exist within the corticostriatal neuronal network. However, in vivo studies of early cell dysfunction in this network are technically difficult, especially at the subcellular resolution.The first objective of my thesis was to reconstitute and characterize the corticostriatal network in vitro. We used a microfluidic device in which each neuronal compartment is identified and in which the progression from axonal growth to synapse regulation is controlled. We observed major defects in the different compartments of the corticostriatal circuit, from presynaptic dynamics to synaptic structure and transmission and to postsynaptic traffic and signaling. Importantly, the genetic status of the presynaptic compartment was necessary and sufficient to alter or restore the circuit.The second aspect of my thesis was to study the intracellular dynamics, from the endoplasmic reticulum to the final compartment, in cellular models of HD. For this we used the RUSH system (Retention Using Selective Hooks) coupled to a molecule using the standard pathway of protein biosynthesis. In cellular models of HD, intracellular dynamics are disrupted. We found that molecules targeting enzyme protein trafficking restore intracellular dynamics in HD cells. In particular, thanks to the microfluidic system, we showed that a given molecule has the capacity to restore a HD mutant corticostriatal network. Pharmacological studies showed that this molecule has a high power of passage of the blood brain barrier. One month treatment of HD mouse models and their behavioral tests for motor and anxiety-depressive symptoms suggest that the molecule is able to ameliorate symptoms.These studies made it possible to highlight 1 / the importance of the cortex as a key region of therapeutic interest in HD, and 2 / protein trafficking as a new therapeutic target in HD.

Nous avons étudié les récepteurs GABAA dans un modèle de la maladie de Huntington. En combinant des approches biochimiques, moléculaires, électrophysiologiques et de l’imagerie haute résolution, nous avons montré une modification de la neurotransmission GABAergique chez des animaux à des stades pre- et post-symptomatiques. Nos études montrent une diminution de de la neurotransmission GABAergique dans le globus pallidus des souris Huntington qui pourrait conduire à une modification des noyaux de sortie des ganglions de la base et de l’activité motrice. L’ensemble de nos résultats permet de définir le rôle de différents types de récepteurs GABAA dans le cerveau dans des conditions physiologiques et pathologiques. / We explored GABAergic neurotransmission in a mouse model of Huntington's disease. Combining molecular, imaging and electrophysiologicaltechniques, we showed changes of GABAergic neurotransmission in presymptomatic and symptomatic R6/1 mice. Our data demonstrated a decreased GABAergic inhibition in the globus pallidus of R6/1 mice, which could result in an alteration of basal ganglia output nuclei and motor activity. Taken together, our results will help to define the contribution of receptor subtypes to inhibitory transmission throughout the brain in physiological and pathophysiological states.

<p>The goal of this dissertation is two-fold: 1) to identify novel biological pathways implicating individual differences in reward and threat processing in the emergence of risk and resilience for psychopathology, 2) to identify novel genetic and epigenetic predictors of the inter-individual variability in these biological pathways. Four specific studies are reported wherein blood oxygen-level dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) was used to measure individual differences in threat-related amygdala reactivity and reward-related ventral striatum (VS) reactivity; self-report was used to measure of mood and psychopathology as well as the experience of stressful life events. In addition, DNA was derived from peripheral tissues to identify specific genetic and epigenetic markers.</p><p>Results from Study 1 demonstrate that individuals with relatively low reward-related VS reactivity show stress-related reductions in positive affect, while those with high VS reactivity remain resilient to these potentially depressogenic effects. Heightened VS reactivity was, however, associated with stress-related increases in problem drinking in Study 2. Importantly, this effect only occurred in individuals showing concomitantly reduced threat-related amygdala reactivity. Study 3 demonstrates that using a multilocus genetic profile capturing the cumulative impact of five functional polymorphic loci on dopamine signaling increases power to explain variability in reward-related VS reactivity relative to an approach considering each locus independently. Finally, Study 4 provides evidence that methylation in the proximal promoter of the serotonin transporter gene is negatively correlated with gene expression and positively correlated with threat-related amygdala reactivity above and beyond the effects of commonly studied functional DNA-sequence based variation in the same genomic vicinity.</p><p>The results from these studies implicate novel biological pathways, namely reward-related VS reactivity and threat-related amygdala reactivity, as predictors of relative risk or resilience for psychopathology particularly in response to stressful life events. Moreover, the results suggest that genetic and epigenetic markers may serve as easily accessible peripheral tissue proxies for these neural phenotypes and, ultimately, risk and resilience. Such markers may eventually be harnessed to identify vulnerable individuals and facilitate targeted early intervention or prevention efforts.</p> / Dissertation