La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative caractérisée par une mort sélective des motoneurones. Les mécanismes impliqués dans cette pathologie sont encore mal connus. Il apparait néanmoins que la SLA est une maladie multifactorielle impliquant différents partenaires tels que les motoneurones, les cellules gliales et musculaires. Le modèle murin SOD1G93A développe un phénotype semblable à celui observé chez les patients SLA. L'étude précise du patron locomoteur des SOD1G93A nous a permis de re-définir la date d'apparition des symptômes à 2 mois d'âge soit 1 un mois avant la date communément admise. Nous corrélons cette donnée fonctionnelle à des modifications histologiques au niveau médullaire, en particulier sur la composante gliale, et musculaire. Sur cette base, nous avons développé deux approches in vivo, l'une physiologique et l'autre pharmacologique. D'une part nous avons caractérisé les effets d'exercices physiques de différentes intensités chez les souris SOD1G93A. Cette étude à mis en évidence le rôle primordial de l'environnement et ne démontre pas d'effet de l'exercice sur la survie des souris SOD1G93A. D'autre part, nous rapportons une augmentation de survie des souris SOD1G93A après traitement chronique à faible dose d'une molécule anti-glutamatergique, la gacyclidine. A forte dose cette molécule semble avoir un effet néfaste.En parallèle, nous avons décrit la répartition anatomique de la sérotonine et d'un de ses récepteurs dans la moelle épinière humaine. Nous observons de grandes similarités topographiques avec les murins et primates, et validons ainsi l'utilisation future de ces modèles animaux dans les pathologies affectant la locomotion tel que la SLA. / Amytrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by a selective death of motoneurons. Pathogenesis and mechanisms of selective vulnerability are not yet fully understood although there is growing evidences that ALS is a complex multi-factorial disease that involves several partners such as neuron, glial and muscle cells. Transgenic mice over-expressing a human mutated form of the gene coding for SOD1 develop a dominantly inherited adult-onset paralytic disorder that mimics human ALS symptoms. The precise description of the SOD1G93A mice locomotor pattern using a gait analysis method allowed us to refine symptoms onset at two months of age. This is one month earlier than described in the literature. We correlate these functional modifications to histological alterations of (1) the glial component of the spinal cord, and (2) muscles. From this referent study, we have then developed and evaluated a physiological and pharmacological in vivo approaches. In our first study, we have characterized the effect of different intensities of physical exercise on SOD1G93A mice. Our study not only demonstrates the crucial role of the environment but also that exercise does not have an impact on the survival of SOD1G93A mice. In the second part of our work, we report an increase in SOD1G93A mice survival when they had been chronically treated with a low dose of gacyclidine, an anti-glutamatergic molecule. At higher dose, this molecule seems to be detrimental.In a parallel study, we have carried out the anatomical description of serotonin and one of its receptor in the adult human spinal cord. We observe topographic similarities with rodents and primates, thus validating their further use as animal models, to study motor pathologies such as ALS.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie mortelle caractérisée par la dégénénérescence des neurones moteurs. La majorité des cas de SLA ont une origine sporadique (SLAs) et les autres sont des cas familiaux (SLAf) étant hérités génétiquement. Une portion des cas de SLAf est associée à des mutations dans le gène codant pour la Cu/Zn superoxyde dismutase (SOD1). La microgliose est une caractéristique pathologique observée dans les tissus des patients atteints de maladies du système nerveux incluant la SLA. La microgliose et la réponse inflammatoire dans le SNC peuvent avoir des effets bénéfiques ou néfastes. Ainsi, l'activation microgliale dans la pathologie de la SLA pourrait promouvoir la survie neuronale mais aussi causer ou exacerber la dégénérescence des motoneurones. Pour déterminer le rôle des microglies et des médiateurs inflammatoires dans la dégénérescence des motoneurones causée par des mutations dans la SOD1, nous avons utilisé les souris 5001 mutantes, modèles de la SLA. Dans un premier temps (chapitre 2), afin de déterminer le rôle de la cytokine TNF-a dans la SLA, nous avons généré des souris exprimant les mutants 5001 G37R ou 5001 G93A dans un contexte où l'expression du TNF-a a été supprimée (souris knock-out). Dans une seconde approche (chapitre 3), par cytométrie de flux, nous avons caractérisé les populations de cellules microgliales dans la moelle épinière des souris transgéniques mutantes 5001 G93A. Dans cette étude, nous avons démontré que l'augmentation du nombre de cellules microgliales dans ce modèle murin est largement attribuable à la prolifération de celles-ci. Subséquemment, nous avons utilisé des souris transgéniques CD11b-TKmut-30, chez lesquelles les microglies en prolifération peuvent être sélectivement éliminées, afin de déterminer le rôle des microglies en prolifération dans la SLA causée par des mutations dans la SOD1. Dans une dernière étude, nous avons tenté d'induire un phénotype neuroprotecteur aux cellules microgliales via l'administration de la cytokine macrophage colony stimulating factor (M-CSF) chez des souris transgéniques 5001 G37R et chez des souris chimériques 5001 G37R ayant subi une transplantation de moelle osseuse sauvage.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / L'acide γ-aminobutyrique (GABA) est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central. La réponse à l'activation du récepteur GABA$_{\textup{A}}$ par le GABA est régulée en partie par la concentration intracellulaire d'ions chlorures (Cl⁻). Une basse concentration de Cl⁻ va permettre une hyperpolarisation de la membrane du neurone (influx d'ions chlorures) suivant l'ouverture des récepteurs GABA$_{\textup{A}}$ qui va inhiber le déclenchement des potentiels d'action. Chez l'adulte cette concentration d'est maintenue basse principalement par le KCC2, un cotransporteur de Cl⁻. Une diminution de l'expression du KCC2 à la membrane de neurones a précédemment été démontrée dans plusieurs régions du cerveau de modèles murins de la maladie l'Alzheimer (MA) et de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). L'objectif principal de ce projet est de déterminer s'il y une diminution de la force d'extrusion des ions chlorure par le KCC2 chez les neurones dans le contexte de la maladie d'Alzheimer et la sclérose latérale amyotrophique. La concentration de Cl⁻ intracellulaire a été monitorée en utilisant la microscopie à temps de vie de fluorescence (FLIM) combinée avec un senseur basé sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET), le SuperClomelon. En utilisant un choc potassique extracellulaire, qui induit une entrée soudaine de Cl⁻ dans la cellule, la force d'extrusion du KCC2 fut estimée. La vitesse de l'entrée de Cl⁻ chez les neurones des souris 5xFAD, un modèle de la MA, fut diminuée significativement dans le cortex préfrontal médian et dans l'hippocampe. Une diminution similaire a été observée dans le cortex moteur chez les souris SOD1-G93A et Prp-TDP43$^{\textup{A315T}}$, deux modèles de la SLA. Cette perte de transport de Cl⁻ a pu être retrouvée en utilisant un activateur du KCC2, le PCPZ. Ces résultats indiquent que le KCC2 joue un rôle important dans la perte d'inhibition liée à certaines maladies neurodégénératives et qu'il serait une cible thérapeutique prometteuse. / The γ-aminobutyric acid (GABA) is the major inhibitory neurotransmitter in the central nervous system. The GABA$_{\textup{A}}$ receptor response to its activation by GABA is in part regulated by the intracellular chloride concentration. A low chloride concentration will allow a hyperpolarization of the neuron membrane (chloride influx) following the opening of GABA$_{\textup{A}}$ receptors which will inhibit the triggering of action potentials. In adults, this chloride concentration is maintained low mainly by KCC2, a chloride cotransporter. A decrease in KCC2 expression at the membrane of neurons has been previously observed in several brain regions of mouse models of Alzheimer's disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The main objective of this project is to assess if chloride extrusion through KCC2 is altered in neurons in the context of Alzheimer's disease and ALS. Intracellular chloride concentration was monitored using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) combined with a fluorescence resonance energy transfer (FRET) based sensor, SuperClomeleon. Using an extracellular potassium shock, which is known to induce a sudden entry of chloride into the cell, the extrusion force of KCC2 was estimated. The rate of chloride entry in neurons of 5xFAD mice, a model of AD, was significantly decreased in the medial prefrontal cortex and hippocampus. A similar decrease was observed in the motor cortex of SOD1-G93A and Prp-TDP43A$^{\textup{A315T}}$ mice, both models of ALS. Interestingly, this loss of chloride transport could be recovered using an activator of KCC2, PCPZ. These results indicate that KCC2 plays an important role in the loss of inhibition associated with certain neurodegenerative diseases and that it could be a promising therapeutic target.

TDP-43 est une protéine multifonctionnelle possédant des rôles dans la transcription, l'épissage des pré-ARNm, la stabilité et le transport des ARNm. TDP-43 interagit avec d'autres hnRNP, incluant hnRNP A2, via son extrémité C-terminale. Plusieurs membres de la famille des hnRNP étant impliqués dans la réponse au stress cellulaire, alors nous avons émis l’hypothèse que TDP-43 pouvait y participer aussi. Nos résultats démontrent que TDP-43 et hnRNP A2 sont localisés au niveau des granules de stress, à la suite d’un stress oxydatif, d’un choc thermique, et lors de l’exposition à la thapsigargine. TDP-43 contribue à la fois à l'assemblage et au maintien des granules de stress en réponse au stress oxydatif. TDP-43 régule aussi de façon différentielle les composants clés des granules de stress, notamment TIA-1 et G3BP. L'agrégation contrôlée de TIA-1 est perturbée en l'absence de TDP-43. En outre, TDP-43 régule le niveau d`ARNm de G3BP, un facteur de granule de stress de nucléation. La mutation associée à la sclérose latérale amyotrophique, TDP-43R361S, compromet la formation de granules de stress. Ainsi, la fonction cellulaire de TDP-43 s'étend au-delà de l’épissage; TDP-43 est aussi un composant de la réponse cellulaire au stress central et un acteur actif dans le stockage des ARNs. / TDP-43 is a multifunctional protein with roles in transcription, pre-mRNA splicing, mRNA stability and transport. TDP-43 interacts with other hnRNPs, including hnRNP A2, via its C-terminus and several hnRNP family members are involved in the cellular stress response. This relationship led us to investigate the role of TDP-43 in cellular stress. Our results demonstrate that TDP-43 and hnRNP A2 are localized to stress granules, following oxidative stress, heat shock, and exposure to thapsigargin. TDP-43 contributes to both the assembly and maintenance of stress granules in response to oxidative stress and differentially regulates key stress granules components including TIA-1 and G3BP. The controlled aggregation of TIA-1 is disrupted in the absence of TDP-43. In addition, TDP-43 regulates G3BP mRNA levels, a stress granule nucleating factor. A mutation associated with amyotrophic lateral sclerosis, TDP-43R361S, compromises stress granule formation. Thus, the cellular function of TDP-43 extends beyond splicing and places TDP-43 as a participant of the central cellular response to stress and an active player in RNA storage.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative due à une dégénérescence des motoneurones. Plus de 40 mutations du gène TARDBP ont été identifiées chez des patients SLA. Les défauts biochimiques de ces mutations étant encore inconnus, les modèles animaux sont présentement la seule mesure possible d’un phénotype. Pour étudier les conséquences physiopathologiques d’une de ces mutations, nous avons développé deux lignées transgéniques de poisson zébré, exprimant le gène humain TARDBP soit de type sauvage, soit avec la mutation G348C liée à la SLA, sous le contrôle d’un promoteur de choc thermique. Ces lignées ont été étudiées sur trois générations, après avoir établi un protocole de choc thermique induisant une expression ubiquitaire du transgène. Les embryons transgéniques de la génération F2 de la lignée exprimant la mutation développent un phénotype moteur suite à un choc thermique de 38.5°C pendant 30 minutes lorsque les embryons sont à 18 heures post-fertilisation. 60% des embryons ont une réponse anormale au toucher. De plus, une réduction de 28% de la longueur de pré-branchement des axones des motoneurones est observée. Ces résultats indiquent que notre lignée exprimant la protéine mutante TDP-43 est un modèle génétique de la SLA prometteur, qui ouvre des perspectives pour la compréhension de la physiopathologie de la maladie et la découverte de molécules thérapeutiques. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease due to motoneurons degeneration. More than 40 mutations of the gene TARDBP, coding for the protein TDP-43 have been found in ALS patients. As the biochemical defects of these mutations are not known, in vivo models are currently the only windows onto the pathology. To study the pathophysiological consequences of one of these mutations, we have generated two stable zebrafish transgenic lines, expressing the human gene TARDBP, either the wild-type version, or the G348C mutated version linked to ALS, under the control of a heat shock promotor. These lines were studied for three generation, after establishing a heat shock protocol sufficient to induce a ubiquitous expression of the transgene. The transgenic embryos of the F2 generation of the line expressing the mutant protein develop a motor phenotype after a 38.5°C heat shock for 30 minutes when the embryos are 18 hours post-fertilization. 60% of these embryos have an abnormal touch escaped evoked response, and a 28% reduction of the pre-branching axonal length of the motoneurons axons. These results indicate that our line expressing the mutant TDP-43 protein is a promising genetic model of ALS, opening perspectives for the pathophysiological understanding of the disease, and the discovery of new therapeutics.

La sclérose latérale amyotrophique est une maladie neurodégénérative fatale caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones moteurs centraux et périphériques. L’un des premiers signes de la maladie est la dénervation de la jonction neuromusculaire (JNM). Les diverses unités motrices (UM) ne présentent toutefois pas la même vulnérabilité à la dénervation dans la SLA: les UM rapide fatigables sont en fait les plus vulnérables et les UM lentes sont les plus résistantes. Alors que des études précédentes ont démontré dans plusieurs modèles animaux de la SLA de nombreuses variations synaptiques, les découvertes ont été contradictoires. Par ailleurs, le type d’UM n’a pas été tenu en compte dans ces divers travaux. Nous avons donc émis l’hypothèse que la présence de la mutation SOD1 pourrait affecter différemment la transmission synaptique des UM, en accord avec leur vulnérabilité sélective. En effectuant des enregistrements électrophysiologiques et de l’immunohistochimie, nous avons étudié la transmission synaptique des différents types d’UM du muscle à contraction rapide Extensor Digitorum Longus (EDL; rapide fatigable (FF) MU) et du muscle à contraction lente Soleus (SOL; lente (S) and rapide fatigue-résistante (FR) MU) de la souris SOD1G37R et leur congénères WT. Pour identifier le type d’UM, un marquage par immunohistochimie des chaînes de myosine a été effectué. Un triple marquage de la JNM a également été effectué pour vérifier son intégrité aux différents stades de la maladie. À P160, dans la période asymptomatique de la maladie, alors qu’aucune altération morphologique n’était présente, l’activité évoquée était déjà altérée différemment en fonction des UM. Les JNMs FF mutantes ont démontré une diminution de l’amplitude des potentiels de plaque motrice (PPM) et du contenu quantique, alors que les JNMs lentes démontraient pratiquement le contraire. Les JNMs FR montraient quant à elles une force synaptique semblable au WT. À P380, dans la période présymtomatique, de nombreuses altérations morphologiques ont été observées dans le muscle EDL, incluant la dénervation complète, l’innervation partielle et les extensions du nerf. La transmission synaptique évoquée des UM FF étaient toujours réduites, de même que la fréquence des potentiels de plaque motrice miniatures. À P425, à l’apparition des premiers symptômes, l’activité synaptique des JNMs S était redevenue normale alors que les JNMs FR ont montré à ce moment une diminution du contenu quantique par rapport au contrôle. De manière surprenante, aucun changement du ratio de facilitation n’a été observé malgré les changements flagrants de la force synaptique. Ces résultats révèlent que la fonction de la JNM est modifiée différemment en fonction de la susceptibilité des UM dans l’ALS. Cette étude fournit des pistes pour une meilleure compréhension de la physiologie de la JNM durant la pathologie qui est cruciale au développement d’une thérapie adéquate ciblant la JNM dans la SLA. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal late-onset neurodegenerative disease characterized by the progressive loss of upper and lower motor neurons. Denervation of the neuromuscular junction (NMJ) is an early pathological event in various ALS models. Motor units (MU) appear unequally susceptible to denervation, the fast fatigable (FF) MU being the most vulnerable and the slow (S) MU the most resistant. While previous studies in several ALS models have consistently reported alterations in synaptic transmission, their findings have been contradictory. Interestingly, the MU types were not taken into account in these studies, which could explain these discrepancies. We hypothesized that the MU selective vulnerabilities observed in ALS will be associated with MU-specific NMJ alterations throughout the disease course. Using electrophysiology, we studied synaptic transmission of different types of MU in the fast-twitch Extensor Digitorum Longus (EDL; fast fatigable (FF) MU) and the slow-twitch Soleus (SOL; slow (S) and fast fatigue resistant (FR) MU) of the SOD1 mice and their WT littermates. MU types were identified using immunohistochemical labelling of the respective myosine heavy chains. Immunohistochemistry was also performed to assess NMJ integrity by using antibodies against main NMJ components. At a presymptomatic stage (P160), while no morphological alterations of NMJs were seen in both muscles, evoked activity was altered in a MU-specific manner in SOD1 mice. FF MU from SOD1 mice showed a decrease in EPP amplitude and quantal content whereas S MU showed the opposite. Mutant FR MU showed no difference in evoked activity compared to WT. At presymptomatic stage (P380), various morphological alterations were seen in the SOD1 EDL, including denervation, partial innervation and nerve sprouting. Evoked activity was still reduced in FF MU, as well as mEPP frequency. In contrast, at disease onset (P425), synaptic strength of the S MU was now similar to WT MU, whereas FR NMJs showed a decrease in EPP amplitude and quantal content. Surprisingly, paired-pulse facilitation was not altered in any MU type and at any age despite changes in synaptic strength. Taken together, these results reveal that NMJ function is differentially modified according to MU susceptibility in ALS. This study provides insights for a better understanding of NMJ physiology during the illness that is crucial to the development of a proper NMJ-targeted treatment in ALS.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative qui affecte les neurones moteurs. 10% des cas sont des cas familiaux et l’étude de ces familles a mené à la découverte de plusieurs gènes pouvant causer la SLA, incluant SOD1, TARDBP et FUS. L’expansion de la répétition GGGGCC dans le gène C9orf72 est, à ce jour, la cause la plus connue de SLA. L’impact de cette expansion est encore méconnu et il reste à déterminer si la toxicité est causée par un gain de fonction, une perte de fonction ou les deux. Plusieurs gènes impliqués dans la SLA sont conservés entre le nématode Caenorhabditis elegans et l’humain. C. elegans est un vers transparent fréquemment utilisé pour des études anatomiques, comportementales et génétiques. Il possède une lignée cellulaire invariable qui inclue 302 neurones. Aussi, les mécanismes de réponse au stress ainsi que les mécanismes de vieillissement sont très bien conservés entre ce nématode et l’humain. Donc, notre groupe, et plusieurs autres, ont utilisé C. elegans pour étudier plusieurs aspects de la SLA. Pour mieux comprendre la toxicité causée par l’expansion GGGGCC de C9orf72, nous avons développé deux modèles de vers pour étudier l’impact d’une perte de fonction ainsi que d’un gain de toxicité de l’ARN. Pour voir les conséquences d’une perte de fonction, nous avons étudié l’orthologue de C9orf72 dans C. elegans, alfa-1 (ALS/FTD associated gene homolog). Les vers mutants alfa-1(ok3062) développent des problèmes moteurs causant une paralysie et une dégénérescence spécifique des neurones moteurs GABAergiques. De plus, les mutants sont sensibles au stress osmotique qui provoque une dégénérescence. D’autre part, l’expression de la séquence d’ARN contenant une répétition pathogénique GGGGCC cause aussi des problèmes moteurs et de la dégénérescence affectant les neurones moteurs. Nos résultats suggèrent donc qu’un gain de toxicité de l’ARN ainsi qu’une perte de fonction de C9orf72 sont donc toxiques pour les neurones. Puisque le mouvement du vers peut être rapidement évalué en cultivant les vers dans un milieu liquide, nous avons développé un criblage de molécules pouvant affecter le mouvement des vers mutants alfa-1 en culture liquide. Plus de 4 000 composés ont été évalués et 80 ameliore la mobilité des vers alfa-1. Onze molécules ont aussi été testées dans les vers exprimant l’expansion GGGGCC et huit diminuent aussi le phénotype moteur de ces vers. Finalement, des huit molécules qui diminent la toxicité causée par la perte de fonction de C9orf72 et la toxicité de l’ARN, deux restaurent aussi l’expression anormale de plusieurs transcrits d’ARN observée dans des cellules dérivées de patient C9orf72. Avec ce projet, nous voulons identifier des molécules pouvant affecter tous les modes de toxicité de C9orf72 et possiblement ouvrir de nouvelles avenues thérapeutiques / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder affecting the motor neurons. 10% of the cases are familial and using those families, many genes were shown to be involved in ALS pathogenesis, including SOD1, TARDBP and FUS. The GGGGCC repeat found in the first intron of C9orf72 is, to this day, the most common genetic cause of ALS. Many hypotheses have been speculated to explain the toxicity of the pathogenic GGGGCC repeat, including loss and gain of function mechanisms. Many proteins involved in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are evolutionarily conserved in the worm Caenorhabditis elegans. C. elegans is a transparent nematode widely used for anatomical, behavioural and genetic studies. It possesses an invariant cell lineage that includes 302 neurons in the adult nematode. Also, cellular stress responses and survival mechanisms are genetically regulated and conserved from the nematode and human. Therefore, our group, and others, have used C. elegans to model different aspects of neurodegenerative diseases including ALS. To better understand the toxicity caused by the GGGGCC repeat expansion in C9orf72, we have developed two C. elegans models to understand either the impact of the loss of function of C9orf72 or the gain of toxicity of the RNA containing the GGGGCC repeat. To understand the loss of function, we have characterized the orthologue of C9orf72 in C. elegans, alfa-1 (ALS/FTD associated gene homolog). Mutant alfa-1 worms exhibit motor impairments leading to paralysis and neurodegenereation of the GABAergic neurons. Mutant worms are also sensitive to osmotic stress which can lead to increased neurodegeneration. On the other part, exposure of C. elegans neurons to the RNA containing the GGGGCC repeat causes also motor problem and degeneration affecting the motor neurons. Therefore, our data suggest that both loss of function of C9orf72 and toxic gain of function are detrimental to neurons. Since motor dysfunctions in worms can be easily accessed in liquid culture, we have screened more than 4,000 FDA approved compounds in the alfa-1(ok3062) worms. 80 molecules were shown to improve alfa-1 impaired function and eleven of those were also tested for their effect to reduce the neurotoxicity caused by the GGGGCC repeat RNA. Eight molecules were shown to affect both types of neurotoxicity. Finally, from these eight molecules that can improveboth types of toxicity, two were shown to restore the abnormal RNA expression observed in C9orf72 patient-derive cells. With this project, we aimed to identify molecules that can affect the loss of C9orf72 toxicity and the toxic gain of RNA function containing the GGGGCC repeat to hopefully open new therapeutic avenues for ALS patients.

LIGHT, un membre de la famille du TNF, déclenche la mort des motoneurones et contribue à la progression de la dégénérescence des motoneurones chez les souris modèles de la sclérose latérale amyotrophique. Étonnement, nous montrons que LIGHT peut également stimuler la croissance axonale in vitro et est nécessaire à la régénération axonale des motoneurones in vivo lors d'une lésion nerveuse périphérique. La compréhension des mécanismes dictant la bivalence de son récepteur mène à l'étude des effets de la régionalisation du signal LIGHT. Les chambres microfluidiques en isolant les axones des corps cellulaires, nous ont permis d'étudier la résultante fonctionnelle d'une stimulation axonale et somatique par LIGHT. Nous montrons que LIGHT active différentiellement la mort, quand il agit au niveau somatique, ou la régénération axonale, quand il stimule l'axone. L'ensemble de ces résultats mène à de nouvelles approches où l'administration de LIGHT au niveau du nerf lésé et du muscle correspondant nous renseignera sur le potentiel thérapeutique de LIGHT lors d'une lésion du système nerveux. / LIGHT, a member of the TNF superfamily, triggers death of motoneurons and contribute to the progression of motoneuron degeneration in an ALS mouse model. Interestingly, we demonstrate that LIGHT can elicit neurite outgrowth in vitro and contribute to axon regeneration in vivo following nerve injury. To better understand mechanisms governing the opposite effects of LIGHT on motoneurons we asked whether a regional activation of LIGHT pathway could trigger these opposite responses. Toward this goal we used microfluidic chambers to isolate the soma from the axon of motoneurons. We shows that LIGHT activates differentially motoneurons death when it acts at the soma and axon outgrowth when it acts at the level of the axon. Together, these results lead us to evaluate new therapeutic approaches to nerve injury.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative au cours de laquelle les motoneurones meurent. Le premier dysfonctionnement des motoneurones est la rétractation de leurs jonctions neuromusculaires. La présence de vacuoles a été décrite dans l’axone et les dendrites des motoneurones avant la dénervation dans les souris SOD1G93A, modèle murin de la maladie. L’origine des vacuoles n’est pas connue. On peut toutefois se demander si elle pourrait résulter d’un stress excitotoxique. L’excitotoxicité pourrait provenir soit d’une hyperexcitabilité intrinsèque du motoneurone, soit d’une hyperexcitation (balance des entrées excitatrices et inhibitrices modifiées au profit d’une plus grande excitation). Or il a été montré que si les motoneurones sont hyperexcitables au stade embryonnaire dans les souris SOD1G93A, seuls les motoneurones résistants à la SLA (type S) sont hyperexcitables à la deuxième semaine postnatale tandis que les motoneurones vulnérables (types FF et FR) deviennent hypoexcitables avant leur dégénérescence chez l’adulte. Nous avons donc étudié les entrées synaptiques reçues par les motoneurones, pour savoir si la balance excitation/inhibition est déplacée et s’ils sont ainsi hyperexcités. Pour cela nous avons réalisé des enregistrements électrophysiologiques de motoneurones lors de la stimulation de circuits pré-moteurs, et des marquages intracellulaires de motoneurones combinés avec des marquages immunohistochimiques des boutons VGlut1, VGlut2 et Vgat. Nous avons montré que l’amplitude des PPSE monosynaptiques Ia était diminuée dans les souris SOD1, les PPSI di- et trisynaptiques étaient moins nombreux et les interneurones inhibiteurs moins excitables. Cette modification des entrées synaptiques n’était pas due à un changement du nombre de synapses. En revanche, les synapses sont particulièrement nombreuses aux domaines dendritiques qui se vacuolisent dans les souris SOD1, suggérant un lien entre l’activité synaptique et la vacuolisation. Des marquages intracellulaires de motoneurones de souris SOD1, montrent que les vacuoles grandissent avec l’évolution de la maladie, suggérant leur implication dans le processus de dégénération. Grâce à des révélations immunohistochimiques, nous avons montré que ces vacuoles apparaissent dans l’espace intermitochondrial lors de la dégénérescence des mitochondries. Le réticulum endoplasmique est également impliqué. Enfin, l’autophagie, mécanisme d’élimination des organites cellulaires, est déficient au moment de l’apparition des vacuoles, expliquant pourquoi elles s’accumulent avec le temps. Ces résultats amènent à reconsidérer l’hypothèse de l’excitotoxicité supposée comme mécanisme à l’origine de la mort des motoneurones. / Glutamate excitotoxicity arising from excessive entry of calcium in the cell, has long been suggested to contribute to the degeneration of motoneurons in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). This hypothesis is enhanced by the observation of vacuoles on motoneurones dendritic tree. Such vacuoles were previously observed on neurons under excitotoxic stress. Excitotoxicity may stem from an intrinsic hyperexcitability of the motoneurons or from a shift of the balance of excitatory / inhibitory inputs received by the motoneurons toward more excitation. Thanks to an in vivo preparation that allows us to make intracellular recordings of motoneurons in adult mice, it was shown that spinal motoneurons do not display an intrinsic hyperexcitability just prior to their degeneration in SOD1 G93A mice, the standard model of ALS. Thus, to study excitotoxicity hypothesis, we decided to study dendritic vacuoles and undersand their genesis, and then to study synaptic inputs on motoneurons, to decipher if there is a hyperexcitability. We have shown, with intracellular labelling and immunohistochemistry, that vacuoles grow with age, that they appear in the intermembrane space of mitochondria, and that deficiency in autophagy prevent their elimination. With electrophysiological recordings, we have shown that monosynaptic EPSP amplitude is reduced in SOD1 mice. IPSP were less numerous and inhibitory interneurons were less excitable. These alterations were not due to synapses numbers, however synapses are preferentially localised on dendritic places that vacuolate, suggesting a link between synaptic activity and vacuolation. These results suggest that excitotoxicity might not be the mecanism of motoneuron death.

L'existence d'une contre-irritation dyspnée-douleur, c'est-à-dire l'inhibition d'une sensation douloureuse par une sensation de dyspnée, permet d'établie une analogie forte dyspnée - douleur. La dyspnée de type " effort inspiratoire excessif " inhibe le réflexe spinal de flexion, ce qui indique qu'elle est au moins en partie médiée par des fibres C. Cette thèse approfondit les connaissances dans ce domaine. Elle montre que la dyspnée de type soif d'air possède des propriétés analgésiques procédant de mécanismes centraux puisqu'elle interagit avec les potentiels évoqués laser qui sont le reflet des mécanismes corticaux mis en jeu au cours de stimulation douloureuse. Elle évalue l'effet d'un antalgique non opioïde de pallier 1, le nefopam, sur une dyspnée expérimentale de type " effort inspiratoire excessif " sans mettre en évidence d'interaction du nefopam avec la contre-irritation dyspnée douleur. / Dyspnea – pain counter – irritation, namely the inhibition of nociceptive sensation by dyspneic sensation, indicates that dyspnea and pain share some mechanisms. Dyspnea of the work/effort type inhibits the spinal flexion reflex, meaning that it involves C-Fibers. This thesis aims at improving knowledge in this field. It shows that dyspnea of the air hunger type has analgesics properties proceeding from central mechanisms: “air hunger” indeed inhibits laser evoked potentials that depends on the pain-related activation of cortical networks. It also evaluates the effect of a non-opioid first step analgesic, nefopam, on an experimental dyspnea of the “work-effort” type, and shows that although nefopam acts on C-fibers, it does not attenuate dyspnea and does not modify dyspnea-pain counter-irritation as evaluated by laser-evoked potentials. Finally, the thesis brings the first evidence of dyspnea-pain interactions in the clinical setting, by showing that ALS patients treated by non-invasive ventilation exhibit heightened pain sensitivity concomitant to the relief of dyspnea. These data advance the current understanding of dyspnea mechanisms and open new perspectives for treatment evaluation.