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Les neurones dopaminergiques (DA) du mésencéphale sont la principale source de dopamine dans le cerveau. Les neurones moyens épineux (MSN) du striatum reçoivent la majorité de la dopamine. Cette dopamine se lie à des récepteurs DAergiques qui existent principalement sous deux formes : ceux de type D1 (DrD1) ou de type D2 (DrD2). En se liant à DrD1 ou DrD2, la dopamine exerce des effets opposés, respectivement excitateurs ou inhibiteurs. De précédentes études de traçage neuronal ont fait état d'une innervation différentielle à travers le cerveau des MSN du striatum dorsal (DSt) pour l'un et l'autre type de récepteur DA. Nous **prévoyons** que les MSN du noyau accumbens (NAc) du striatum ventral (VSt) ont également une innervation différentielle pour chaque type de récepteur DA. Par ailleurs, les neurones DA du mésencéphale ne sont pas homogènes et possèdent des profils génétiques et projections axonales distincts. L'identification de nouveaux sous-types de neurones DA nous mène à émettre **l'hypothèse** que certains d'entre eux cibleraient spécifiquement les MSN DrD1+ ou DrD2+. Nous avons développé une **approche** de marquage neuronal utilisant des vecteurs viraux trans-synaptiques afin de visualiser les sous-circuits ciblant les récepteurs DA du NAc. Pour marquer les neurones ciblant DrD1 ou DrD2, nous utilisons des souris transgéniques qui expriment les recombinases Cre et Flippase (Flp) dans les neurones DrD1 et DrD2 respectivement. À l'aide d'AAV dépendants de Cre ou de Flip, nous forçons l'entrée d'un second vecteur viral rabique (RabV) exprimant des protéines fluorescentes. Cette approche nous permet de marquer sélectivement les neurones établissant des synapses avec les MSN du NAc exprimant DrD1 ou DrD2. Afin de caractériser les sous-types de neurones DA ciblant les MSN DrD1+ ou DrD2+, nous utilisons des techniques de marquage immunohistochimique spécifiques aux différents sous-types de neurones DA. Nos résultats suggèrent qu'il existe des régions du cerveau ciblant de manière préférentielle les MSN exprimant DrD1 ou DrD2 dans le NAc. D'autre part nous nous sommes retrouvés confrontés à une toxicité accrue des neurones DA du mésencéphale marqués par le vecteur RabV. Cette toxicité de RabV a grandement altéré l'identification de sous-types DA marqués et ne nous permet pas de tirer de conclusions satisfaisantes En **conclusion**, la réalisation de ce projet sert de base à l'établissement d'une cartographie des sous-circuits dopaminergiques du NAc. Notre modèle pourrait être appliqué à des études fonctionnelles et à d'autres régions cérébrales afin de mieux caractériser des sous-circuits du cerveau qui demeurent encore inconnus. / The midbrain dopaminergic (DA) neurons are the main source of dopamine in the brain. The medium spiny neurons (MSNs) of the striatum receive most of the dopamine. This dopamine binds to DA receptors, which mainly exist in two forms: type D1 (DrD1) and type D2 (DrD2). By binding to DrD1 or DrD2, dopamine exerts opposite effects, respectively, excitatory, or inhibitory. Previous neuronal tracing studies have reported differential innervation across the brain of dorsal striatum (DSt) for each type of MSN DA receptor. We **hypothesize** that the MSNs of the nucleus accumbens (NAc) in the ventral striatum (VSt) also have a differential innervation for each type of DA receptor. Moreover, midbrain DA neurons are not homogeneous and have distinct genetic profiles and axonal projections. The identification of new DA neuron subtypes leads us to **hypothesize** that some of them specifically target DrD1+ or DrD2+ MSNs. We have developed a neuronal tracing **approach** using trans-synaptic viral vectors to visualize the brain sub-circuits targeting specific DA receptors in the NAc. To label the neurons targeting those expressing DrD1 or DrD2, we used transgenic mice whose MSNs express Cre recombinase (DrD1) and Flip recombinase (DrD2). Using Cre- or Flip-dependent AAV vectors, we induce the entry of a rabies (RabV) viral vector expressing fluorescent proteins. This approach allows us to selectively label neurons that form synapses with NAc MSNs expressing DrD1 or DrD2. To characterize the subtypes of DA neurons targeting DrD1+ or DrD2+ MSNs, we use immunohistochemical techniques using antibodies to specifically mark the different subtypes of DA neurons. Our results suggest that there are regions across the brain that preferentially form synapses with MSNs expressing DrD1 or DrD2 in the NAc. On the other hand, we encountered increased toxicity in midbrain DA neurons labeled by the RabV vector. This RabV toxicity significantly impaired the identification of labeled DA subtypes and does not allow us to draw satisfactory conclusions. In **conclusion**, this project serves as a basis for establishing a mapping of the dopaminergic sub-circuits of the NAc. Our model could be applied to functional studies and to other brain regions to better characterize brain sub-circuits that remains unknown.

L’intégrité des synapses neuronales est primordiale pour le développement et le maintien des capacités cognitives. Des mutations dans des gènes codant pour des protéines synaptiques ont été trouvées chez des patients atteints de déficience intellectuelle (DI), qui est une maladie neurodéveloppementale ayant des conséquences sur les fonctions intellectuelles et adaptatives. Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’un de ces gènes, IL1RAPL1, dont les mutations sont responsables d’une forme non-syndromique de DI liée au chromosome X, et sur le rôle de la protéine IL1RAPL1 dans la formation et le fonctionnement des synapses. IL1RAPL1 est une protéine trans-membranaire qui est localisée dans les synapses excitatrices où elle interagit avec les protéines post-synaptiques PSD-95, RhoGAP2 et Mcf2l. De plus, IL1RAPL1 interagit en trans- avec une protéine phosphatase présynaptique, PTPd, via son domaine extracellulaire. Nous avons étudié les conséquences fonctionnelles de deux nouvelles mutations qui affectent le domaine extracellulaire d’IL1RAPL1 chez des patients présentant une DI. Ces mutations conduisent soit à une diminution de l’expression de la protéine, soit à une réduction de l’interaction avec PTPd affectant ainsi la capacité d’IL1RAPL1 à induire la formation de synapses excitatrices. En absence d’IL1RAPL1, le nombre ou la fonction des synapses excitatrices est diminué, ce qui mène à un déséquilibre entre les transmissions synaptiques excitatrice et inhibitrice dans des régions spécifiques du cerveau. Dans le cas particulier de l’amygdale latérale, nous avons montré que ce déséquilibre conduit à des défauts de mémoire associative chez la souris déficiente en Il1rapl1. L’ensemble des résultats qui font partie de ce travail montre que l’interaction IL1RAPL1/PTPd est essentielle pour la formation des synapses et suggère que les déficits cognitifs des patients avec une mutation dans il1rapl1 proviennent du déséquilibre de la balance excitation/ inhibition. Ces observations ouvrent des perspectives thérapeutiques visant à rétablir cette balance dans les réseaux neuronaux affectés. / Preserving the integrity of neuronal synapses is important for the development and maintenance of cognitive capacities. Mutations on a growing number of genes coding for synaptic proteins are associated with intellectual disability (ID), a neurodevelopmental disease characterized by deficits in adaptive and intellectual functions. The present work is dedicated to the study of one of those genes, IL1RAPL1, and the role of its encoding protein in synapse formation and function. IL1RAPL1 is a trans-membrane protein that is localized at excitatory synapses, where it interacts with the postsynaptic proteins PSD-95, RhoGAP2 and Mcf2l. Moreover, the extracellular domain of IL1RAPL1 interacts trans-synaptically with the presynaptic phosphatase PTPd. We studied the functional consequences of two novel mutations identified in ID patients affecting this IL1RAPL1 domain. Those mutations lead either to a decrease of the protein expression or of its interaction with PTPd, affecting in both cases the IL1RAPL1-mediated excitatory synapse formation. In the absence of IL1RAPL1, the number or function of excitatory synapses is perturbed, leading to an imbalance of excitatory and inhibitory synaptic transmissions in specific brain circuits. In particular, we showed that this imbalance in the lateral amygdala results in associative memory deficits in mice lacking Il1rapl1. Altogether, the results included in this work show that IL1RAPL1/PTPd interaction is essential for synapse formation and suggest that the cognitive deficits in ID patients with mutations on IL1RAPL1 result from the imbalance of the excitatory and inhibitory transmission. These observations open therapeutic perspectives aiming to reestablish this balance in the affected neuronal circuits.

L’intégrité des synapses neuronales est primordiale pour le développement et le maintien des capacités cognitives. Des mutations dans des gènes codant pour des protéines synaptiques ont été trouvées chez des patients atteints de déficience intellectuelle (DI), qui est une maladie neurodéveloppementale ayant des conséquences sur les fonctions intellectuelles et adaptatives. Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’un de ces gènes, IL1RAPL1, dont les mutations sont responsables d’une forme non-syndromique de DI liée au chromosome X, et sur le rôle de la protéine IL1RAPL1 dans la formation et le fonctionnement des synapses. IL1RAPL1 est une protéine trans-membranaire qui est localisée dans les synapses excitatrices où elle interagit avec les protéines post-synaptiques PSD-95, RhoGAP2 et Mcf2l. De plus, IL1RAPL1 interagit en trans- avec une protéine phosphatase présynaptique, PTPd, via son domaine extracellulaire. Nous avons étudié les conséquences fonctionnelles de deux nouvelles mutations qui affectent le domaine extracellulaire d’IL1RAPL1 chez des patients présentant une DI. Ces mutations conduisent soit à une diminution de l’expression de la protéine, soit à une réduction de l’interaction avec PTPd affectant ainsi la capacité d’IL1RAPL1 à induire la formation de synapses excitatrices. En absence d’IL1RAPL1, le nombre ou la fonction des synapses excitatrices est diminué, ce qui mène à un déséquilibre entre les transmissions synaptiques excitatrice et inhibitrice dans des régions spécifiques du cerveau. Dans le cas particulier de l’amygdale latérale, nous avons montré que ce déséquilibre conduit à des défauts de mémoire associative chez la souris déficiente en Il1rapl1. L’ensemble des résultats qui font partie de ce travail montre que l’interaction IL1RAPL1/PTPd est essentielle pour la formation des synapses et suggère que les déficits cognitifs des patients avec une mutation dans il1rapl1 proviennent du déséquilibre de la balance excitation/ inhibition. Ces observations ouvrent des perspectives thérapeutiques visant à rétablir cette balance dans les réseaux neuronaux affectés. / Preserving the integrity of neuronal synapses is important for the development and maintenance of cognitive capacities. Mutations on a growing number of genes coding for synaptic proteins are associated with intellectual disability (ID), a neurodevelopmental disease characterized by deficits in adaptive and intellectual functions. The present work is dedicated to the study of one of those genes, IL1RAPL1, and the role of its encoding protein in synapse formation and function. IL1RAPL1 is a trans-membrane protein that is localized at excitatory synapses, where it interacts with the postsynaptic proteins PSD-95, RhoGAP2 and Mcf2l. Moreover, the extracellular domain of IL1RAPL1 interacts trans-synaptically with the presynaptic phosphatase PTPd. We studied the functional consequences of two novel mutations identified in ID patients affecting this IL1RAPL1 domain. Those mutations lead either to a decrease of the protein expression or of its interaction with PTPd, affecting in both cases the IL1RAPL1-mediated excitatory synapse formation. In the absence of IL1RAPL1, the number or function of excitatory synapses is perturbed, leading to an imbalance of excitatory and inhibitory synaptic transmissions in specific brain circuits. In particular, we showed that this imbalance in the lateral amygdala results in associative memory deficits in mice lacking Il1rapl1. Altogether, the results included in this work show that IL1RAPL1/PTPd interaction is essential for synapse formation and suggest that the cognitive deficits in ID patients with mutations on IL1RAPL1 result from the imbalance of the excitatory and inhibitory transmission. These observations open therapeutic perspectives aiming to reestablish this balance in the affected neuronal circuits.

L’intégrité des synapses neuronales est primordiale pour le développement et le maintien des capacités cognitives. Des mutations dans des gènes codant pour des protéines synaptiques ont été trouvées chez des patients atteints de déficience intellectuelle (DI), qui est une maladie neurodéveloppementale ayant des conséquences sur les fonctions intellectuelles et adaptatives. Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’un de ces gènes, IL1RAPL1, dont les mutations sont responsables d’une forme non-syndromique de DI liée au chromosome X, et sur le rôle de la protéine IL1RAPL1 dans la formation et le fonctionnement des synapses. IL1RAPL1 est une protéine trans-membranaire qui est localisée dans les synapses excitatrices où elle interagit avec les protéines post-synaptiques PSD-95, RhoGAP2 et Mcf2l. De plus, IL1RAPL1 interagit en trans- avec une protéine phosphatase présynaptique, PTPd, via son domaine extracellulaire. Nous avons étudié les conséquences fonctionnelles de deux nouvelles mutations qui affectent le domaine extracellulaire d’IL1RAPL1 chez des patients présentant une DI. Ces mutations conduisent soit à une diminution de l’expression de la protéine, soit à une réduction de l’interaction avec PTPd affectant ainsi la capacité d’IL1RAPL1 à induire la formation de synapses excitatrices. En absence d’IL1RAPL1, le nombre ou la fonction des synapses excitatrices est diminué, ce qui mène à un déséquilibre entre les transmissions synaptiques excitatrice et inhibitrice dans des régions spécifiques du cerveau. Dans le cas particulier de l’amygdale latérale, nous avons montré que ce déséquilibre conduit à des défauts de mémoire associative chez la souris déficiente en Il1rapl1. L’ensemble des résultats qui font partie de ce travail montre que l’interaction IL1RAPL1/PTPd est essentielle pour la formation des synapses et suggère que les déficits cognitifs des patients avec une mutation dans il1rapl1 proviennent du déséquilibre de la balance excitation/ inhibition. Ces observations ouvrent des perspectives thérapeutiques visant à rétablir cette balance dans les réseaux neuronaux affectés. / Preserving the integrity of neuronal synapses is important for the development and maintenance of cognitive capacities. Mutations on a growing number of genes coding for synaptic proteins are associated with intellectual disability (ID), a neurodevelopmental disease characterized by deficits in adaptive and intellectual functions. The present work is dedicated to the study of one of those genes, IL1RAPL1, and the role of its encoding protein in synapse formation and function. IL1RAPL1 is a trans-membrane protein that is localized at excitatory synapses, where it interacts with the postsynaptic proteins PSD-95, RhoGAP2 and Mcf2l. Moreover, the extracellular domain of IL1RAPL1 interacts trans-synaptically with the presynaptic phosphatase PTPd. We studied the functional consequences of two novel mutations identified in ID patients affecting this IL1RAPL1 domain. Those mutations lead either to a decrease of the protein expression or of its interaction with PTPd, affecting in both cases the IL1RAPL1-mediated excitatory synapse formation. In the absence of IL1RAPL1, the number or function of excitatory synapses is perturbed, leading to an imbalance of excitatory and inhibitory synaptic transmissions in specific brain circuits. In particular, we showed that this imbalance in the lateral amygdala results in associative memory deficits in mice lacking Il1rapl1. Altogether, the results included in this work show that IL1RAPL1/PTPd interaction is essential for synapse formation and suggest that the cognitive deficits in ID patients with mutations on IL1RAPL1 result from the imbalance of the excitatory and inhibitory transmission. These observations open therapeutic perspectives aiming to reestablish this balance in the affected neuronal circuits.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative principalement caractérisée par la présence de dépôts amyloïdes et d'enchevêtrements neurofibrillaires composés de protéines tau hyperphosphorylées. Tau est une protéine associée aux microtubules qui possède de nombreux sites de phosphorylation pouvant être phosphorylés par différentes kinases. En plus de la pathologie tau, on observe également dans le cerveau des patients atteints de la MA, une apparition précoce d’altérations métaboliques ainsi qu’une perte synaptique qui est à l’origine du développement des troubles cognitifs. En effet, les synapses sont des connexions neuronales essentielles pour la formation de la mémoire qui nécessitent une importante quantité d’énergie pour maintenir leurs fonctions. Depuis plusieurs années, des études suggèrent que l’AMPK – senseur métabolique essentiel des cellules – pourrait être impliquée dans le développement de la MA. En effet, des travaux réalisés in vitro ont permis de montrer que l’AMPK est une kinase de tau. Par ailleurs, il a été mis en évidence que chez les patients atteints de la MA, l’AMPK est dérégulée dans les neurones en dégénérescence où elle co-localise avec les protéines tau hyperphosphorylées. Enfin, des études menées dans notre équipe ont également permis de mettre en évidence que suite à une activation synaptique, l'AMPK restaure les niveaux d'énergie des neurones laissant ainsi supposer qu'une dérégulation de son activité pourrait avoir un impact néfaste sur le métabolisme neuronal. Au vu de ces données, les objectifs de mon projet de thèse ont donc été de déterminer l'impact d'une dérégulation de l’AMPK neuronale sur la pathologie tau, la perte synaptique et le métabolisme énergétique neuronal dans un modèle de culture primaire de neurones et in vivo chez la souris. La réalisation de ces objectifs nous a permis de démontrer (1) que l'AMPK régule la phosphorylation et la pathologie tau, (2) que la dérégulation de l’AMPK induit une diminution du nombre des synapses ainsi qu'une perte de la fonctionnalité du réseau neuronal, via une voie de signalisation impliquant l’autophagie et (3) que la dérégulation de l’AMPK entraine des perturbations du métabolisme énergétique neuronal. En conclusion, ce travail de thèse a permis d’apporter une meilleure compréhension sur le rôle de la dérégulation de l’AMPK dans le développement des différentes caractéristiques de la MA. Dans l’ensemble, ces données laissent fortement suggérer que l’AMPK pourrait faire le lien entre les dysfonctionnements métaboliques et l’ensemble des altérations qui se mettent en place au cours de la MA. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder mainly characterized by the presence of amyloid deposits and neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau proteins. Tau is a microtubule-associated protein that bears many phosphorylation sites which can be phosphorylated by different kinases. Beside tau pathology, AD is also characterized by cerebral metabolic alterations and synaptic loss, the latter being responsible for the development of cognitive disorders. Indeed, synapses are essential for memory formation and require a large amount of energy to maintain their functions. Interestingly, studies have suggested that AMP-activated protein kinase (AMPK) – a crucial intracellular metabolic sensor – could be involved in the development of AD. Indeed, in vitro studies have shown that AMPK is a tau kinase. In addition, AMPK is deregulated in degenerating neurons of AD patients brain where it co-localizes with hyperphosphorylated tau proteins. Additionally, studies carried out in our team showed that upon synaptic activation, AMPK activity is essential to maintain neuronal energy levels thus suggesting that a deregulation of its activity could have harmful impact on neuronal metabolism. On the basis of these data, the objectives of this thesis were to determine the impact of neuronal AMPK deregulation on tau pathology, synaptic loss and neuronal energy metabolism in primary neurons and in vivo in mice. The achievement of these objectives allowed us to demonstrate (1) that AMPK regulated tau phosphorylation and pathology (2) that AMPK deregulation caused a decrease of synapses number as well as a loss of neuronal networks functionality, through a signaling pathway involving autophagy and (3) that AMPK deregulation impacted on neuronal energy metabolism. In conclusion, this thesis has provided a better understanding of the role of AMPK deregulation in the development of different hallmarks of AD. Altogether, these data strongly suggest that AMPK could be the link between neuronal metabolism dysfunctions and the development of the alteration that occur during AD.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2007. / Härtill 3 uppsatser.