Au cours des dernières années, la biologie et plus généralement la recherche médicale, a connu des avancées majeures grâce aux nombreux progrès de la microscopie, de la génétique, de la biologie moléculaire, de la protéomique, et du séquençage à haut débit. Il s’agit maintenant d’identifier à partir de toutes ces données gigantesques, les grandes lois de la biologie. Le principe de la biologie intégrative ou systémique est de poser les bases d'une véritable théorie de l'organisation fonctionnelle du vivant à partir des différents mécanismes découverts expérimentalement. De la même manière que l'on décrit la matière par les théories des mathématiques, de la physique, et de la chimie, on veut pouvoir comprendre, formaliser et modéliser le fonctionnement des mécanismes du vivant. Cette thèse a consisté à réaliser une bibliothèque de modèles fonctionnels des réactions chimiques qui prennent place dans les cellules nerveuses aussi appelés modèles élémentaires et de les assembler afin d’obtenir un système mimant le plus finement possible les mécanismes de la propagation du signal électrique au sein d’une synapse. Les travaux réalisés jusqu'alors ont permis de modéliser les mécanismes essentiels et de reconstituer le comportement d’une synapse glutamatergique. En particulier, l’utilisation de cette nouvelle méthode de recherche et de développement de médicaments a pour objectif de proposer des molécules innovantes, en optimisant leurs propriétés biochimiques. Cette technique permettra, dans un futur proche, l'avènement d'une nouvelle génération de pharmaceutiques, dit multi-cibles, c'est-à-dire permettant d'intervenir sur les différents mécanismes d'une pathologie. / In recent years, biology and medical research more generally, has seen major advances in microscopy, genetics, molecular biology, proteomics, and high-throughput sequencing. We now identify from these huge data, the great laws of biology. The principle of integrative biology or systemic is to defined the basis of the foundations for a theory of the functional organization of living from different mechanisms discovered experimentally. In the same way that matter is described by the theories of mathematics, physics, and chemistry, we want to understand, formalize and model the functioning of living mechanisms. This thesis has been to achieve a library of functional models of chemical reactions that take place in nerve cells also called elementary models and assemble them to obtain a system mimicking the finest possible mechanisms of electrical signal propagation within of a synapse. The work done so far allow us to model the essential mechanisms and reconstruct the behavior of a glutamatergic synapse. In particular, the use of this new method of research and drug development aims to offer innovative molecules by optimizing their biochemical properties. This technique will, in the near future, the advent of a new generation of pharmaceuticals, said multi-target, able to intervene on the different mechanisms of disease.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Les noyaux supraoptiques (NSO) de l’hypothalamus sont composés de neurones magnocellulaires (NMCs) synthétisant et sécrétant l’ocytocine (OT) ou la vasopressine (VP). L’OT est impliquée dans des fonctions de reproduction comme la parturition et la lactation, la VP quant à elle participe à l’homéostasie hydrominérale et vasculaire. La libération de VP et d’OT dans la neurohypophyse est contrôlée par l’activité électrique des NMCs, elle-même régulée par les principales afférences glutamatergiques et GABAergiques qu’ils reçoivent. Les récepteurs kaïnate (rKA) pré-synaptiques exercent une action modulatrice sur la libération de neurotransmetteur dans le système nerveux central (SNC). Cet effet peut basculer de facilitateur à inhibiteur en augmentant la concentration d’agonistes des rKA. Ils peuvent également être présents sur le compartiment post-synaptique et participer à la réponse synaptique. Nous avons démontré, pour la première fois que des rKA fonctionnels sont présents dans le NSO, à la fois sur les afférences GABAergiques et glutamatergiques mais également sur les NMCs eux-mêmes. Les rKA contenant la sous-unité GluR5 régulent différemment la transmission glutamatergique sur les neurones à OT et à VP. En effet, l’application d’agonistes exogènes pour ces récepteurs induit un effet diamétralement opposé sur ces neurones, un effet facilitateur sur les neurones à OT et inhibiteur sur les neurones à VP, dû à la présence de GluR5 uniquement sur ces derniers. En effet, l’activation de ce récepteur post-synaptique induit la libération d’un messager rétrograde, vraisemblablement la dynorphine, responsable de l’inhibition de la transmission glutamatergique. En ce qui concerne la régulation de la transmission GABAergique, nous avons pu démontrer que l’augmentation de glutamate ambiant générée par la rétraction des processus gliaux se produisant dans le NSO de rate allaitante était suffisante pour inverser l’effet des rKA de facilitateur à inhibiteur sur la libération de GABA. Cette inversion de l’effet des rKA est causée par une modification du mode d’action de ces récepteurs du type ionotropique au type métabotropique. Les résultats obtenus au cours de mes travaux de thèse montrent donc que les récepteurs kaïnate sont présents sur l’ensemble des sites de la synapse dans le NSO de l’hypothalamus de rats adultes. De plus, ces rKA régulent différemment les neurones à OT et les neurones à VP, ce qui suggère qu’ils pourraient jouer des rôles importants dans la régulation de leur activité et des processus physiologiques les impliquant. / Magnocellular neuroendocrine cells (MNCs) from the supraoptic nucleus (SON) of the hypothalamus synthesize and release the hormones oxytocin (OT) and vasopressin (VP). OT is involved principally in reproductive functions such as parturition and lactation, whereas VP plays a key role in body fluid and cardiovascular homeostasis. The release of OT and VP from the neurohypophysis is controlled by the electrical activity of hypothalamic MNCs, which is itself regulated by GABAergic and glutamatergic synaptic inputs. Presynaptic kainate receptors (KARs) exert a modulatory action on transmitter release in different structures of the central nervous system. This effect can be switched from facilitation to inhibition by an increased concentration of KAR agonists. KAR can also be present postsynaptically where they were shown to participate to the synaptic response in some brain regions. We have demonstrated for the first time that functional KARs were present on GABAergic and glutamatergic inputs as well as on SON neurons. GluR5-containing KARs differentially regulate glutamatergic transmission on OT and VP neurons. Indeed, applications of exogenous agonists of GluR5 induced opposite effects, a facilitatory effect on OT neurons and an inhibitory effect on VP neurons, the latter resulting from an indirect action mediated by postsynaptic GluR5-containing KARs on VP neurons. Thus, activation of these receptors induced the release of a retrograde messenger, probably dynorphin, which in turn act presynaptically to inhibit glutamate release. Regarding the modulation of GABAergic transmission in the SON, we here showed that the increased levels of ambient glutamate associated with the physiological withdrawal of astrocytic processes occuring during lactation could modify the activity of presynaptic KARs. We demonstrated for the first time that a physiological astrocytic plasticity modifies the mode of action of presynaptic KARs from ionotropic to metabotropic, thereby inversing their coupling with GABA release from facilitation into inhibition. The results obtained during my PhD have thus showed that KARs are present both pre-and post-synaptically on adult MNCs. Moreover, KARs differentially regulate OT and VP neurons, which suggest that KARs could play key roles in the regulation of their activity and in physiological processes in which MNCs are involved

Un des obstacles majeurs de la recherche en neurosciences est la difficulté d’accéder de manière directe au fonctionnement du cerveau afin de comprendre les mécanismes biologiques à l’origine des dysfonctionnements cérébraux dans les troubles psychiatriques. En tant qu’extension anatomique et développementale du système nerveux central, la rétine pourrait permettre d’offrir un accès indirect aux fonctions neurologiques cérébrales. Ainsi, l’investigation de la fonction rétinienne apporte l’unique opportunité d’étudier de manière objective un réseau neuronal complexe présentant des similarités avec celui du cerveau. Le cannabis est une substance neurotoxique identifiée comme modulant la transmission synaptique cérébrale par l’intermédiaire du système cannabinoïde mais les mécanismes précis à l’origine de ces anomalies sont peu connus. La première partie de ce travail consiste à présenter les bases neurobiologiques et les hypothèses physiopathologiques justifiant l’étude de la fonction rétinienne chez les usagers de cannabis, en se basant sur la présence du système cannabinoïde dans la rétine et son implication dans la régulation de la libération synaptique de neurotransmetteurs. La seconde partie discute l’intérêt de l’étude de la fonction rétinienne dans la recherche en psychiatrie avec des méthodes électrophysiologiques. Enfin, la dernière partie présente les dysfonctions rétiniennes présentes chez les usagers de cannabis, après un usage aigu ou régulier, évaluées par les techniques électrophysiologiques comme l’électrorétinogramme. Toutes ces données renforcent la pertinence de la rétine comme site d’investigation du cerveau et ouvrent éventuellement la perspective au développement de marqueurs fonctionnels / One of major obstacles in neuroscience research is the difficulty of directly accessing the brain function to understand the biological mechanisms underlying brain dysfunctions in psychiatric disorders. As an anatomical and developmental extension of the central nervous system, the retina could afford to offer an indirect access to brain neurological functions. Investigating the retinal function provides the unique opportunity to study in an objective way a complex neuronal network which shares similar properties with the brain. Cannabis is a neurotoxic substance identified as modulating brain synaptic transmission through the cannabinoid system, but the precise mechanisms underpinning these anomalies are poorly understood. The first part of this work is dedicated to present the neurobiological basis and pathophysiological hypotheses justifying the study of retinal function in cannabis users and is based on the presence of the cannabinoid system in the retina and its involvement in the regulation of synaptic neurotransmission. The second part discusses the interest of the study of retinal function with electrophysiological methods in psychiatric research. The last part presents the retinal dysfunctions detected in cannabis users, after acute or regular use, and assessed by electrophysiological techniques such as electroretinogram. All these data reinforce the relevance of the retina as a site of brain investigation and possibly open the prospect for the development of functional markers

L'accumulation du peptide amyloïde Aβ semble être le facteurs décisif dans la<br />physiopathologie de la maladie d'Alzheimer.<br />Au cours de ce travail, nous avons montré différents effets de ces peptides.<br />Nous avons montré les effets de différents types de peptides amyloïdes sur les<br />courants calciques des neurones de l'hippocampe. Ainsi, l'Aβ(25-35) augmente les courants<br />calciques de type L alors que l'Aβ(1-40) ceux de types non-L.<br />Ensuite, l'application de peptide Aβ diminue les courants postsynaptiques excitateurs<br />évoqués mais également des courants miniatures spontanés. Ces diminutions seraient dues à<br />une internalisation des récepteurs AMPA et impliquent des processus inflammatoires et<br />l'activation de voies de transduction.<br />Enfin, lors de l'apoptose neuronale induite par le peptide amyloïde la β-tubuline de<br />classe III est exclue des microtubules et forme des agrégats cytoplasmiques. Ces effets ne sont<br />pas dus à des changements dans les modifications post-traductionnelles de la tubuline.

Au niveau de la jonction neuromusculaire (JNM) squelettique de Vertébrés, deux enzymes d'une remarquable efficacité peuvent hydrolyser l'acétylcholine (ACh) : l'acétylcholinestérase (AChE) et la butyrylcholinestérase (BChE). L'hydrolyse de l'ACh dépend non seulement de l'activité enzymatique de l'AChE et de la BChE mais également de leur localisation. Ces deux enzymes semblent posséder des capacités fonctionnelles différentes dont l'importance relative n'a pas encore été établie.<br />Nous avons choisi une approche génétique pour analyser le rôle des cholinestérases dans la transmission neuromusculaire. Nous disposons de plusieurs lignées de souris qui présentent un déficit dans l'hydrolyse de l'ACh à la jonction neuromusculaire. Certaines de ces souris génétiquement modifiées n'ont plus d'activité enzymatique AChE (souris AChE KO) dans tous les tissus, d'autres ne possèdent que la forme moléculaire soluble de l'AChE (souris AChE Del E5,6), d'autres sont dépourvues de la forme ancrée à la membrane par un glycophospholipide (souris AChE Del E5/neo) ou des formes ancrées à la membrane par PRiMA (souris PRiMA KO) ou totalement de BChE (souris BChE KO). La caractérisation des JNM de ces souris par des approches électrophysiologiques et de microscopie confocale nous a permis d'appréhender les rôles des différentes formes moléculaires des cholinestérases dans la transmission neuromusculaire ainsi que les éventuelles adaptations pré- et postsynaptiques qui conditionnent l'efficacité synaptique.<br />Malgré l'absence totale ou partielle d'AChE, les souris développent des contractions tétaniques dans une gamme de fréquences physiologiques (10 à 100 Hz) mais ne peuvent pas les maintenir constantes à des fréquences supérieures à 30 Hz. Chez ces souris, l'inhibition de la BChE entraîne une accentuation de la dépression de ces réponses, ce qui suggère que la BChE joue un rôle de modulateur dans la transmission synaptique. De plus, les cours temporels des réponses synaptiques enregistrées au niveau des JNM sont augmentés de par l'activation répétitive des récepteurs nicotiniques de l'ACh (RnACh) par l'ACh. Enfin, des remodelages pré- et postsynaptiques post-nataux ont été mis en évidence au niveau des JNM. Ces remodelages synaptiques sont probablement dus à l'adaptation des RnACh et des terminaisons nerveuses motrices face à l'absence d'activité enzymatique de l'AChE.<br />Nous proposons que, chez ces souris génétiquement modifiées, la petite taille des aires de distribution des RnACh ainsi que la discontinuité des amas de ces récepteurs et de celle des terminaisons nerveuses permettent à l'ACh de diffuser facilement et rapidement hors de la fente synaptique.

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

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