Plusieurs études ont récemment fait l'hypothèse qu'un déficit de l'apprentissage procédural commun aux troubles neurodéveloppementaux pouvait permettre d'expliquer leur fréquente association (Nicolson et Fawcett, 2007). Tout spécialement, les circuits neuronaux impliqués dans cet apprentissage (les boucles cortico-striatale, CS et cortico-cérébelleuse, CC) pouvaient rendre compte avec pertinence de la comorbidité fréquente entre Dyslexie Développementale (DD) et Trouble de l'Acquisition de la Coordination (TAC) : 40 à 60% des enfants présentent en effet la double association. Les circuits neuronaux qui soutiennent l'apprentissage d'une séquence motrice et en particulier d'une tâche de tapping de doigts (FTT, Finger Tapping Task) sont bien connus et modélisés (Doyon, Bellec, Amsel, Penhune, Monchi, Carrier et al., 2009) et concernent tout particulièrement ces deux boucles CS et CC. Nous avons donc choisi dans cette thèse d'observer les modifications cérébrales lors de l'apprentissage d'une FTT, chez des enfants âgés de 8 à 12 ans présentant une DD, un TAC ou l'association des deux troubles. Dans un premier temps, nous avons effectué une analyse des données issues des tests neurospychologiques de l'ensemble des enfants de l'étude (20 DD, 22 TAC et 23 DysTAC). Nos résultats ne montrent pas de différences entre les trois groupes aux tests attentionnels, comportementaux et psychosociaux. Nous trouvons des différences aux subtests du WISC-IV en rapport avec les capacités visuospatiales et motrices (Cubes, Symboles, Indice de Vitesse de Traitement) où le groupe DD se montre plus performant que le groupe TAC. Aucune différence n'est retrouvée entre le groupe comorbide et les deux autres groupes, suggérant d'une part un profil cognitif partagé et commun aux troubles neurodéveloppementaux et d'autre part le caractère non cumulatif de l'association des deux troubles. Dans un second temps, nous avons analysé les données issues de l'imagerie fonctionnelle par résonnance magnétique (IRMf) des 48 enfants ayant effectués la partie IRM (16 DD, 16 TAC et 16 DysTAC) afin d'explorer les activités cérébrales lors de la réalisation d'une FTT à deux stades de l'apprentissage (début d'apprentissage et stade automatique après quinze jours d'entraînement). Nos résultats indiquent que les trois groupes d'enfants ont été capable d'accéder à l'automatisation de la FTT après un entraînement approprié, mais en utilisant des processus cérébraux compensatoires différents entre les groupes. Nos résultats ne confirment pas les hypothèses et le modèle théorique de Nicolson, postulant des déficits spécialisés des boucles CS ou CC en fonction des troubles. Par contre, nos résultats mettent très nettement en évidence des mécanismes cérébraux spécifiques aux enfants TAC. Ces derniers présentent en effet une suractivation des aires attentionnelles et un recrutement de zones cérébrales plus important lors de performances similaires à celles des autres enfants. En dernier lieu, nos données indiquent que les groupes DD et DysTAC présentent un profil commun, tant dans les résultats neuropsychologiques que dans les résultats d'imagerie, alors que le groupe TAC est clairement singulier dans son fonctionnement. / Many studies have pointed out the high frequency of co-morbid associations in neurodevelopmental disorders. However, few of them have given details of cognitive functions in developmental dyslexia (DD) and developmental coordination disorder (DCD) children and still fewer on the association of DD and DCD. The main purpose of this article is to compare the intellectual characteristics of the 3 populations and, in particular, to investigate the cognitive profiles of children with co-occurrence. Recent theories consider that procedural learning may support frequent overlap between neurodevelopemental disorders. In particular, the brain networks involved in this learning (cortico-striatal (CS) and cortico-cerebellar (CC) loops) could account for frequent co-morbidity between DCD and DD (about 40 to 60% of DD and DCD subjects suffer from both disorders). The aim of our study was to investigate cerebral changes due to the motor sequence learning process, especially the finger-tapping task (FTT), from acquisition through automatization, in children with DD, DCD, or DD and DCD. The neural circuitry supporting this action is well-known and well-modelled (Doyon et al., 2009), and includes, among others, CC and CS loops. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) in 48 children (8-12 years old) with neurodevelopmental disorders (16 DD, 16 DCD and 16 DD+DCD) explored their brain activity during FTT, performed either after 2 weeks of training or in the early stage of learning. First, we analyzed the results in all participants (22 DCD, 20 DD and 23 DD+DCD) in tests assessing cognitive (WISC-IV), attentional (CPT-II) and behavioural (CBCL) abilities. No difference was found between the 3 groups in attention testing (CPT) and behavioural characteristics (CBCL). Significant between-groups differences were observed in Processing Speed Index (PSI) score and the block design and symbol search subtests. Post hoc group comparisons showed that DD fared better than DCD children. No significant differences were found between the co-morbid vs. pure groups: co-morbid association did not cause an accumulation of disorders. Second, our results indicated that all children with DD, DCD or both disorders performed the tasks with good automaticity, but suggested that different compensatory brain processes allowed them to access this automatization stage. Our fMRI results do not appear to confirm Nicolson's model but tend more towards shared disability in CS and CC loops for both DD and DCD, with slight between-group differences in these areas. Moreover, and in agreement with the results of previous fMRI studies in DCD children, our data disclosed increasing evidence that this group needs to invest more brain areas to achieve similar performances. Lastly, it appears that the co-morbid and DD groups are very close in cognitive profile (especially on WISC-IV) and in neural correlates associated with our paradigm, while the DCD group presents specific, distinct and particular characteristics. Our data therefore indicate a promising direction for future research on the neural mechanisms linked with learning in neurodevelopmental disorders and in understanding co-morbidity.

Dans le cervelet, l’interaction entre l’activité des fibres parallèles (FPs) et celle de la fibre grimpante (FG), les deux principaux inputs excitateurs des neurones de Purkinje (NPs), engendre des signaux calciques supra-linéaires procurant des informations sur leur activité concomitante. Ce phénomène déclenche des mécanismes synaptiques qui induisent la dépression à court- ou à long-terme des synapses FP-NPs. L’activation des FPs génère des signaux calciques locaux confinés aux épines activées tandis que l’activation de la FG génère une dépolarisation qui se propage passivement dans les dendrites. Cette dépolarisation transitoire qui n’est pas locale joue un rôle important dans la régulation de la signalisation locale des FPs et leur plasticité. L’étude menée durant ma thèse s’est focalisée sur deux principaux points : les canaux dendritiques des NPs activés par la dépolarisation transitoire générée par l’activation de la FG et les mécanismes responsables de la génération des signaux dendritiques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des FPs et de la FG. Les résultats reportés ici ont été obtenus en utilisant des méthodes optiques récemment développés.Nous avons caractérisé le comportement des canaux ioniques dendritiques qui sont activés par la dépolarisation dendritique générés par l’activation de la FG. Nous avons découvert que deux différents groupes de canaux ioniques sont sélectivement activés selon le potentiel membranaire initial. En effet, quand les dendrites sont hyperpolarisées, les CF-EPSPs activent principalement des canaux calciques voltage-dépendant (CCVDs) de type T, des canaux SK et des canaux potassiques voltage-dépendant (CPVDs) de type A. Ces derniers maintiennent le potentiel membranaire en dessous de ~0 mV. En revanche, quand les dendrites sont dépolarisées, les CCVDs de type T et les CPVDs de type A s’inactivent complètement et les CF-EPSPs activent des CCVDs de type P/Q, des CPVDs et des canaux BK. L’activation de cet ensemble de canaux déclenche des spikes calciques. Notamment, nous avons établi l’importance des CPVDs de type A dans le control du deuxième ensemble de canaux. En effet, ils limitent l’activation des CCVDs de type P/Q et les canaux potassiques associés empêchant le déclenchement des spikes calciques.Nous avons démontré que l’activation occurrente de la FG et des FPs induit deux différents types de signaux calciques supra-linéaires. L’induction de l’un ou de l’autre dépend du temps entre l’activation des deux inputs, qui est aussi un principal déterminant des mécanismes impliqués dans la génération des ces signaux calciques. Nous avons trouvé que quand les CF-EPSPs se produisent à de courts délais après la fin du burst des FPs, les signaux calciques supra-linéaires associés sont indépendant de l’activation des mGluR1 et sont générés par l’effet combiné de deux mécanismes : l’augmentation du flux calcique via les CCVD de type P/Q activés par la dépolarisation membranaire médiée par l’activation de FPs inactivant les CPVDs de type A; et la saturation transitoire des buffers calciques endogènes durant le burst des PF-EPSPs amplifiant les concentrations du Ca2+ libre. Quand les CF-EPSPs se produisent à de longs délais après la fin du burst des PF-EPSPs, les signaux calciques supra-linéaires associés dépendent de l’activation des mGluR1 et n’impliquent aucun des mécanismes précédents. Dans ce cas, nous avons démontré que les signaux calciques supra-linéaires sont corrélés avec l’augmentation du flux calcique via les conductances cationiques associées à l’activation des mGluR1.Les résultats reportés ici ont avancé notre compréhension sur la génération des signaux calciques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des PFs et de la FGs ainsi les mécanismes qui y sont impliqués. Néanmoins, nous n’avons pas pu procurer une réponse définitive sur la nature du flux calcique médiant les signaux calciques supra-linéaires dépendant de l’activation des mGluR1s. / In the cerebellum, the interplay between PFs and CF inputs generates supralinear Ca2+ signals that provide the information on their concomitant occurrance. These phenomena trigger both short- and long-term depression at PF-PN synapses associated with motor learning and coordination, i.e. the primary functions of the cerebellum. While activation of PFs elicits local Ca2+ transients that are confined to activated spines, the activation of the CF generates a large depolarization that spreads passively into the dendrites. The CF-mediated transient dendritic depolarization, not localized, plays a fundamental role in dendritic integration and in regulating local PF signals and their plasticity at distal sites. The study carried out in my thesis addressed two crucial questions of this problem: the dendritic ion channels activated by the CF-mediated dendritic depolarization at different initial Vm and the mechanisms underlying dendritic supralinear Ca2+ signals associated with concomitant PF and CF activity. The results reported here were obtained using recent optical methods of Vm imaging and ultrafast Ca2+ imaging with low affinity Ca2+ and high affinity Ca2+ indicators combined with pharmacological analysis.During the first part of my work, I characterized the behavior of the dendritic Ca2+ and K+ channels activated by CF-EPSPs at different initial dendritic Vm, using optical measurements of Vm and Ca2+ transients. We found that two different sets of ion channels are selectively activated at different states. When the dendrite is hyperpolarized, CF-EPSPs mainly activate T-type voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs), SK channels and A-type voltage-gated Ca2+ channels (VGKCs) that limit the transient Vm below ~0 mV. When in contrast the dendrite is depolarized, T-type VGCCs and A-type VGKCs are inactivated and CF-EPSPs activate P/Q-type VGCCs, high-voltage activated VGKCs and BK channels, initiating Ca2+ spikes. We demonstrated that A-type VGKCs play a crucial role in controlling the second set of channels. Indeed, these channels limit the activation of P/Q-type VGCCs and associated K+ channels, preventing Ca2+ spikes.During the second part of my work, we demonstrated that the concomitant activation of PF and CF triggers two different types of supralinear Ca2+ signals. The activation of one or the other path depends on the delay between the activation of the two inputs which is the crucial discriminator of the mechanisms involved in the generation of supralinear Ca2+ signals. We found that when CF-EPSPs occur near the end of a burst of PFs, the associated supralinear Ca2+ transients are independent of the activation of mGluR1 and are produced by a combined effect of two mechanisms: the increased Ca2+ influx through P/Q-type VGCCs enabled by PF-depolarization inactivating A-type VGKCs; and the transient saturation of endogenous Ca2+ buffers during the PF-EPSP burst amplifying free Ca2+ concentration. When CF-EPSPs occur at longer delays after the end of the PF burst, the associated supralinear Ca2+ transients are mGluR1-dependent and do not involve the mechanisms underlying the generation of mGluR1-independent supralinear Ca2+ transients. Instead, an entirely different mechanism is recruited. We found that, the supralinear Ca2+ transients were correlated with an increase in mGluR1-dependent Ca2+ influx via the slow mGluR1-activated cation conductance.The results reported here advance our understanding of the generation of supralinear Ca2+ transients associated with the concomitant PF and CF activity with respect to the potential molecular mechanisms that are involved. Nevertheless, we were not able to provide a definitive answer on the nature of the Ca2+ influx mediating mGluR1-depedent supralinear Ca2+ signals. This issue must be further explored in future experiments.

Cette thèse porte sur la modélisation de la commande motrice chez le Primate suivant deux approches : - Tout d'abord, en suivant une formalisation mathématique de la préparation par le Cerveau des signaux de commande d'un mouvement volontaire dirigé vers une cible. La méthode utilisée dans cette étude a été de recenser les contraintes fonctionnelles et d'en déduire un circuit de traitement des signaux moteurs, compatible avec l'organisation anatomique des voies cérébelleuses. Ce circuit a permis une optimisation hiérarchisée, sous les contraintes de rapidité d'exécution et d'économie de la dépense énergétique. Cette approche a été appliquée à la commande d'un bras robotique à 2 d.d.l mû par des muscles de McKibben, et à la modélisation du système oculomoteur du Primate. - Ensuite, en suivant une approche par codage. Nous présentons ici la conception et la mise au point d'une Interface Cerveau-Machine asynchrone qui décode les données cérébrales enregistrées chez le Macaque afin de contrôler un doigt robotique.

Le cervelet est une structure du cerveau impliquée dans la coordination des actions motrices complexes telles que les mouvements volontaires. Pour remplir cette fonction, le contrôle temporel précis d'une large population de neurones est nécessaire. Alors qu'un grand nombre d'études ont été consacrées à l'étude de l'activité de réseau dans la plupart des grandes structures cérébrales (système thalamo-cortical, les noyaux gris centraux, hippocampe, etc ...), le cervelet reste très peu étudié. Par conséquent, j'ai examiné la présence et les caractéristiques d'une telle organisation chez les rats libres de leurs mouvements, en particulier lorsqu'ils accomplissent une tâche de préhension. Le cortex cérébelleux a une organisation topographique marquée, de sorte que les cellules voisines reçoivent les mêmes afférences et ont des efférences convergentes. Par conséquent, l'étude des propriétés du réseau local dans le cortex cérébelleux permet d'accéder à une activité populationnelle qui est fonctionnellement pertinente. Tout d'abord, j'ai démontré que les multi-électrodes et particulièrement les tétrodes peuvent être utilisées, grâce à un " micro-drive " que j'ai conçu et réalisé, pour enregistrer plusieurs cellules voisines dans des enregistrements chroniques de comportement de rongeurs libres de leurs mouvements.Deuxièmement, j'ai examiné dans la zone du cortex cérébelleux qui contrôle les mouvements des membres la façon dont les cellules principales (les cellules de Purkinje) coordonnent leur décharge pendant le repos et durant une action motrice des membres antérieurs. Par des enregistrements électrophysiologiques simultanés de plusieurs cellules individuelles, j'ai trouvé que les cellules de Purkinje voisines présentent toujours un co-modulation de leur taux de décharge à l'échelle de quelques millisecondes. Cette décharge corrélée est observée pendant le sommeil et d'exploration active, mais elle est accrue au cours de l'exécution de mouvements. Nos résultats indiquent donc que lors d'un mouvement rapide et complexe, les assemblées locales des cellules de Purkinje se forment dynamiquement à des échelles de temps courtes et produisent donc des épisodes très transitoires d'inhibition dans leur cible postsynaptique dans les noyaux cérébelleux. Troisièmement, dans une collaboration avec le groupe de Richard Courtemanche, nous avons étudié le lien entre la décharge neuronale et les oscillations lentes du potentiel de champ local qui sont observées dans le cervelet au repos. Nous avons constaté qu'une grande proportion de cellules de Golgi et les cellules de Purkinje sont modulées pendant les oscillations. Ces résultats indiquent que ces oscillations lentes, qui peuvent également être observées dans le cortex moteur, se propagent dans le cortex cérébelleux. Dans l'ensemble, mon travail a identifié et caractérisé un certain nombre de patrons d'activité populationnelle dans le cortex cérébelleux. L'impact de ces patrons sur le système moteur reste en grande partie à être compris et devrait faire l'objet de futures travaux.

Les ataxies autosomiques récessives sont un groupe de troubles neurologiques hétérogènes caractérisés par une incoordination brute des mouvements musculaires impliquant le dysfonctionnement nerveux du cervelet qui coordonne le mouvement. Plusieurs formes héréditaires ont été décrites dont la plus connue : l’ataxie de Friedriech. Dans cette thèse nous rapportons l'identification et la caractérisation d’une nouvelle forme dans la population québécoise. L’ataxie récessive spastique avec leucoencéphalopathie (ARSAL; aussi connue comme l’ataxie autosomique récessive spastique de type 3 (SPAX3); OMIM 611390) est la deuxième ataxie spastique décrite dans la population canadienne française. En effet, près de 50 % de nos cas sont originaires de la région de Portneuf. En 2006, nous avons décrit les caractéristiques cliniques de cette nouvelle forme d’ataxie. Un premier criblage du génome entier, constitué de plus de 500 marqueurs microsatellites, a permis la localisation du locus sur le chromosome 2q33-34. Suite au séquençage de plus de 37 gènes candidats et afin de rétrécir cet intervalle candidat, nous avons utilisé une micro-puce d’ADN constituée de marqueurs SNP «single nucleotide polymorphism» et nous avons identifié un deuxième intervalle candidat de 0.658Mb au locus 2q33 dans lequel se trouvent moins de 9 gènes. L’identification et la caractérisation de ces mutations a nécessité l’utilisation de diverses technologies de pointe. Trois mutations (une délétion et deux réarrangements complexes) dans le gène mitochondrial tRNA-synthetase (MARS2) ont été identifiées dans notre cohorte. Nous émettons l’hypothèse que la nature des mutations complexes est responsable d’un dérèglement de la transcription du gène, ce qui a un impact néfaste sur la fonction mitochondriale et le tissu neuronal. / Autosomal Recessive Ataxias are a group of heterogeneous neurological disorders consisting of gross incoordination of muscle movements implying dysfunction of parts of the nervous system that coordinate movement such as the cerebellum. Several hereditary forms exist for these patterns of neurological dysfunction. In this thesis we reported the identification and characterization of a new form in the French-Canadian population. Autosomal Recessive Spastic Ataxia with frequent Leukoencephalopathy (ARSAL; also referred to as Autosomal Recessive Spastic Ataxia type 3 (SPAX3); OMIM 611390) is the second recessive spastic ataxia originally described in the French-Canadian population. Furthermore, close to 50% of our cases share a Portneuf region origin. In 2006 we described the cardinal features of this new form of ataxia. A first genome wide scan was performed on three informative families with microsatellite (single tandem repeat) markers and a parametric linkage analysis. This allowed us to identify a candidate interval on chromosome 2q33-34. Sequencing of more than 37 genes did not uncover the putative mutation. In order to refine this candidate interval, we have a second genome scan using single nucleotide polymorphism SNP markers and we have identified a smaller candidate interval of 0.658 Mb in which there are nine genes. The use of a multimodal approach was required to uncover and characterize the three mutations (one deletion and two complex rearrangements) in the mitochondrial met-tRNA synthetase gene (MARS2). We suggest that complex rearrangement of the 5’ region of the gene has a great impact on the gene transcription regulation, which affect its mitochondrial function and impair the neuronal tissue.

L’Imagerie et la Spectroscopie par Résonance Magnétique du proton (IRM et ¹H SRM) sont des méthodes innovantes en toxicologie. Ces outils permettent l’évaluation de l’impact des xénobiotiques in vivo au niveau structural et métabolique respectivement. Dans cette perspective, les travaux de cette thèse ont été réalisés sur deux modèles murins : (i) des injections répétées de gadodiamide chez le rat entrainant une accumulation de gadolinium dans les noyaux profonds cérébelleux (NCP) ; (ii) une exposition à faible dose(20 μg/kg/jour) pendant la gestation et la lactation au bisphénol A (BPA) et à ses dérivés chlorés qui sont des perturbateurs endocriniens.L’étude des effets des injections répétées du gadodiamide a montré un rehaussement du signal des NCP sur des images pondérées T1 à 6 et 11 semaines post-injections. De manière inédite, il a été mis en évidence que le rehaussement du signal des NCP se maintient jusqu’à 1 an post-injections. Il a été également mesuré une augmentation prolongée de la concentration de créatine totale dans les NCP par la méthode de quantification ERETIC digital. Néanmoins, cette variation n’a pas été confirmée par les autres méthodes de quantification conventionnelles (jMRUI et LCModel). Une comparaison des méthodes de quantification en ¹H SRM (ERETIC digital, jMRUI et LCModel) a été réalisée afin de mettre en évidence l’influence de la correction de la ligne de base dans le traitement des spectres ¹H in vivo.Des perturbations précoces des dérivés chlorés du BPA ont été quantifiés chez les jeunes souris mâles et femelles exposées pendant la période périnatale : (i) des modifications de la composition lipidique hépatique, et cela préalablement à tout changement structural ; (ii) des altérations microstructurales et métaboliques au niveau de l’hippocampe. Une méthode de diffusion spectroscopique a été optimisée puisdes expériences in vivo ont été effectuées afin de caractériser ces anomalies de l’intégrité intracellulaire dans le cerveau des souris mâles. / Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy (MRI and ¹H MRS) are new methods in toxicology. These tools allow the assessment of the impact of xenobiotics at structural and metabolic levels respectively. In this perspective, this thesis presents two studies in animal models: (i) repeated administrations of linear gadolinium-based contrast agent (gadodiamide) in rat leading to a deposition of gadolinium in deep cerebellar nuclei (DCN); (ii) gestational and lactational exposure to bisphenol A (BPA) and its chlorinated derivatives at low dose (20 μg/kg/day) which are endocrine disruptors.The study of repeated injections of gadodiamide showed a hypersignal of DCN on T1-weighed images at 6and 11 weeks post-injections. In an unprecedented way, it was demonstrated that the hypersignal of DCN persisted for 1 year post-injections. A prolonged increase of total creatine concentration in DCN was also measured by the quantitation ERETIC digital method. Nevertheless, this variation was not confirmed by other conventional quantitation methods (jMRUI and LCModel). A comparison of quantitation methods in ¹H MRS (ERETIC digital, jMRUI and LCModel) was performed in order to elucidate the influence of baseline correction in the processing of in vivo ¹H spectra.Early disturbances caused by chlorinated derivatives of BPA were quantified in young male and female mice perinatally exposed: (i) modifications of hepatic lipid composition which precedes any structural change; (ii)microstructural and metabolic alterations in the hippocampus. A spectroscopic diffusion method was optimized, leading to in vivo experiments in order to characterize those abnormalities of intracellular integrity in the brain of male mice.

Les maladies à polyglutamines (polyQ) sont des maladies neurodégénératives héréditaires dominantes causées par une expansion de CAG traduite en longue expansion de polyglutamine dans la protéine correspondante. Ces maladies comprennent l’ataxie spinocérébélleuse 7 (SCA7) et la maladie de Huntington (MH) causées par une expansion de polyQ dans les protéines ataxine-7 (ATXN7) et huntingtine (htt), respectivement. Les souris SCA7 et MH développent des rétinopathies similaires suggérant des pathomécanismes communs toujours inexpliqués. Durant ma thèse, j’ai trouvé qu’en réponse à la toxicité des polyQ, les photorécépteurs (PR) perdent leur différenciation alors que d’autres migrent ou meurent. De plus, cette mortalité cellulaire active la prolifération des cellules gliales de Müller et leur différenciation en PR. Récemment, j’ai trouvé que l’ATXN7 et la htt se trouvent dans le cil primaire et leur mutation mène à une perte des protéines endogènes des cils associée à des défauts du cil. / Polyglutamine (polyQ) disorders are dominantly inherited neurodegenerative disorders caused by the expansion of CAG repeats translated into long polyQ tracts in the corresponding proteins. These diseases include Spinocerebellar ataxia 7(SCA7) and Huntington’s Disease (HD), caused by polyQ expansion ataxin-7 (ATXN7) and huntingtin (htt), respectively. SCA7 and HD mouse models develop similar retinopathies suggesting common pathomechanisms. In my thesis, I found that, in response to polyQ toxicity, SCA7 photoreceptors (PR) undergo several cell fates ranging from their deconstruction, to their migration and their death. Moreover, this cell death activates the proliferation of Müller glial cells and their differentiation into PR like cells. The pathomechanisms underlying HD and SCA7 are still unknown. Recently, I found that ATXN7 and htt are localized to the PR cilia and that the mutant proteins lead to a progressive loss of the wild-type proteins that correlates with defects in the PR cilia.

La conversion conformationnelle de la protéine prion cellulaire PrPC neuroprotectrice en protéine prion PrPSc infectieuse et pathogène caractérise les maladies à prions. Dans le cerveau infecté par les prions, la perte de PrPC, le gain de PrPSc neurotoxique et l’inflammation concourent à la mort neuronale par des mécanismes encore mal connus.Ces travaux valident les cultures organotypiques de cervelet de souris comme système expérimental ex vivo favorable à l’étude de ces mécanismes et montrent que l’absence de PrPC aussi bien que PrPSc activent des mécanismes apoptotiques et autophagiques qui conduisent à la mort des cellules de Purkinje du cervelet. Une deuxième étude in situ chez la souris montre que la compartimentation anatomo-fonctionnelle du cervelet est un paramètre endogène de la pathogenèse des prions de tremblante 22L. Une troisième série d’expériences in situ montre que les prions provoquent l’augmentation du récepteur TNFR1 de la cytokine pro-inflammatoire TNF-α à la membrane des astrocytes enveloppant les synapses excitatrices des cellules de Purkinje dans le cortex cérébelleux de souris infectées. Ceci implique une composante astrocytaire dans la réaction des complexes synaptiques aux prions. / The conversion of the protective cellular prion protein PrPC into an infectious, neurotoxic conformer PrPSc is a feature of prion diseases. In the prion-diseased brain, the loss of PrPC, the production of pathogenic PrPSc and inflammation contribute to neuronal death by still unknown mechanisms.The present results validate cerebellar organotypic cultures as a valuable experimental system to study ex vivo these mechanisms and provide insight into the apoptotic and autophagic processes activated by the absence of PrPC in Prnp-deficient mice and by PrPSc prions and lead to the death of the cerebellar Purkinje cells. A second line of research in situ showed that the anatomo-functional compartmentation of the mouse cerebellum is an endogenous parameter of the pathogenesis of the 22L scrapie prions. Finally, another in situ approach revealed that prions increase the levels of TNFR1, a receptor for the pro-inflammatory cytokine TNF-α at the membrane of the astrocytes enveloping Purkinje cell excitatory synapses in the cerebellar cortex of infected mice. This implies that the response of synaptic complexes to prions involves a glial component.

La dystrophie myotonique de type I (DM1) constitue la plus fréquente des pathologies musculaires héréditaires chez l’adulte. Bien qu’initialement considérée comme une maladie musculaire, la DM1 présente une atteinte neurologique très handicapante. Cette maladie autosomique dominante résulte de l’expansion anormale d’un triplet CTG dans la partie 3’UTR du gène DMPK. Un effet trans du transcrit DMPK muté entraine une dérégulation de l‘épissage alternatif dans de nombreux tissus. Cependant, les mécanismes pathologiques de la DM1 dans le cerveau restent encore peu compris. Afin de disséquer ce mécanisme, notre laboratoire a créé des souris transgéniques exprimant le transcrit DMPK avec de larges expansions CUG dans de nombreux tissus. Ces souris nommées DMSXL, recréent d’importants aspects pathologiques de la DM1, comme des anomalies du comportement et électrophysiologiques du cerveau. Elles représentent donc un excellent outil pour explorer l’effet pathologique de la mutation dans le SNC. En m’appuyant sur ce modèle, j’ai exploré dans un premier temps l’effet trans des ARNs toxiques et l’ampleur de la splicéopathie dans le SNC. De façon intéressante, certains défauts d’épissage sont régions spécifiques, et ne montrent pas d’aggravation avec l’âge des souris DMSXL. Mes résultats démontrent que les ARNs mutés sont capables de déréguler l’épissage alternatif dans l’ensemble du SNC. La région du cervelet a aussi montré des anomalies de l’épissage dans les souris DMSXL, qui, en plus, présentent des perturbations cognitives dépendantes de cette région cérébrale. Le cervelet des souris DMSXL présente aussi des déficits électrophysiologiques suggérant une dysfonction cérébelleuse et plus précisément une dysfonction des cellules de Purkinje. Dans la recherche des populations cellulaires les plus affectées dans le cervelet, j’ai démontré la présence de signes de la toxicité de l’ARN plus marqués dans la glie de Bergman, entourant les cellules de Purkinje. Pour trouver les voies moléculaires perturbées dans le cervelet, et disséquer le mécanisme derrière les anomalies observées, j’ai réalisé une approche protéomique globale et trouvé une sévère baisse de l’expression du transporteur glial de glutamate GLT1/EAAT2, suggérant une dysfonction du cervelet, en conséquence d’un possible métabolisme anormal du glutamate. L’analyse protéomique globale du cerveau des souris DM1 a aussi identifié des différences d’expression et des modifications post-traductionnelles de protéines impliquées dans la signalisation du calcium. L’étude du métabolisme des ARNm dans la DM1 a mis en évidence la dérégulation de l’épissage de gènes impliqués dans le métabolisme du calcium, soutenant l’hypothèse d’une dysfonction calcique dans le SNC. Pour étudier les conséquences de la mutation sur les variations calciques cellulaires, j’ai caractérisé un modèle cellulaire astrocytaire de la DM1. Ce modèle m’a permis de démontrer une localisation anormale du récepteur GRIN1/NMDAR1, ainsi qu’une réponse calcique anormale dans les astrocytes primaires porteurs des amplifications CTG. Malgré les avancés thérapeutiques dans le muscle, on ne sait pas à quel point les stratégies en cours de développement sont efficaces dans le SNC. Pour étudier ce problème, j’ai utilisé le modèle astrocytaire de la DM1 afin de valider in cellulo une stratégie thérapeutique qui vise à rétablir une activité normale du facteur d’épissage MBNL1 endogène. Mes travaux de thèse ont permis d’avancer dans la compréhension de la neuropathologie de la DM1. Ils ont mis en évidence pour la première fois une dysfonction du cervelet, ainsi que la possible dérégulation de la voix calcique dans le SNC. Mes résultats ont donc contribué à mieux comprendre le mécanisme de la DM1 dans le SNC, pour, à long terme, développer des approches thérapeutiques ciblant des évènements moléculaires précis. / Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is the most frequent inherited muscular disorder in adults. Although traditionally regarded as a muscle disease, DM1 presents debilitating neurological manifestations. DM1 is an autosomic dominant disease caused by the abnormal expansion of a CTG triplet within the 3’UTR of the DMPK gene. Many molecular aspects of the DM1 are mediated by a trans effect of the expanded DMPK transcripts, whose accumulation leads to splicing deregulation in many tissues. Despite recent progress in the understanding of DM1 pathogenesis in muscle and central nervous system (CNS), the detailed molecular disease mechanism operating in the brain is still poorly understood. In order to investigate the pathophysiology, our laboratory has generated DMSXL transgenic mice expressing DMPK transcripts containing large CUG expansions in many tissues. DMSXL mice mimic important features of the DM1, notably in the CNS, showing behaviour as well as electrophysiological abnormalities. Therefore, this mouse line represents an excellent tool to investigate the toxic effects of the mutation in the CNS. Taking advantages of this transgenic model, I have first explored the trans effect of the toxic RNA and the extent of DM1-associated spliceopathy in the CNS. Interestingly, some splicing defects were region-specific, and their severity did not increase with the age of the DMSXL mice. My data demonstrate that CUG-containing RNAs have a wide deleterious effect and deregulate alternative splicing in many areas of the CNS. In addition to splicing abnormalities in cerebellum, DMSXL mice also displayed deficits in cerebellum-dependant motor coordination. Plus, DMSXL cerebellum showed electrophysiological abnormalities, suggesting cerebellar dysfunction and more precisely Purkinje cell dysfunction. In the search for the cellular populations showing the greatest susceptibility to RNA toxicity in the cerebellum, I have found extensive foci accumulation as well as pronounced splicing defects in the Bergman glia, surrounding Purkinje cells, in DMSXL and DM1 patients cerebellum. In order to identify molecular pathways and mechanisms behind the behaviour and electrophysiological abnormalities detected, I have performed a global proteomics approach and found a severe decrease in the expression of a glial glutamate transporter GLT1/EAAT2, suggesting that DM1 causes cerebellum dysfunction, through abnormal glutamate metabolism. Global proteomic analysis of DMSXL cerebellum also identified expression and post-translational changes of several proteins involved in calcium signalling. Missplicing of different transcripts involved in calcium metabolism reinforces the idea of calcium dysfunction in the neuropathogenesis of the DM1. To study the effects of toxic RNA on calcium homeostasis and flux, I have established and characterised a brain cell model of DM1. DMSXL primary astrocyte cultures allowed me to show the mislocalisation of the glutamate receptor GRIN1/NMDAR1, as well as abnormal calcium responses to stimulation. Despite recent therapeutic advances in muscle, we do not know the CNS efficiency of the therapeutic strategies currently being developed. To address this problem, I have used the DM1 astrocyte cell model to validate in cellulo a therapeutic strategy aiming to restore the activity of the endogenous splicing factor MBNL1. My thesis work provided a significant step in the understanding of the DM1 pathology in the CNS. My results revealed for the first time signs of cerebellum dysfunction in DM1, as well as signs of calcium homeostasis deregulation in the SNC. My work contributed to better understand the pathological mechanisms of DM1, the brain pathways and cell types most susceptible to toxic RNA. In the long term, my data will contribute to the rational development of therapeutic strategies targeting precise and deleterious molecular events.

La cellule de Purkinje (CP) est la seule sortie anatomique du cortex cérébelleux. Des études récentes ont montré que les récepteurs NMDA (NMDA-R) jouaient un rôle essentiel dans le Depression à long terme (DLT) à la synapse entre les fibres parallèles (FP) et les CPs. Les NMDA-Rs pourraient jouer un rôle prépondérant dans l’intégration des informations somato-sensorielles des FPs et ainsi contribuer au rôle du cervelet dans l'apprentissage moteur. Nous montrons que les NMDA-Rs sont fonctionnels et recrutés uniquement lors de patrons de décharges des FPs haute fréquences. Ces résultats étant potentiellement liés aux propriétés biophysiques des NMDA-Rs, nous avons démontré que la PLT dépend des NMDA-Rs comportant les sous unité GluN2A et que l'expression post synaptique de la plasticité s'effectuait à travers une diffusion anterograde du monoxyde d'azote (MA). De plus, nous avons confirmé et disséqué les propriétés de filtre passe haut des NMDA-Rs in vivo et in vitro.Nous avons montré que la PLT nécessitait des trains d'activité des FPs plus long que dans le cadre de la DLT, nous postulons que la quantité de MA produite est plus importante lors de l'induction de PLT. Utilisant nos données, nous avons implémenté un model mathématique de plasticité à la synapses FP-CP pouvant prédire le signe de plasticité synaptique selon les patrons d'activité rencontrés par cette synapse. / Synaptic plasticity is thought to be the cellular mechanism underlying learning and memory and has been the subject of intense experimental and theoretical research. The experimental work has led to detailed knowledge of the receptors and signalling pathways involved in the induction of different types of synaptic plasticity. In parallel, theoretical studies have built ’plasticity rules’, formal descriptions linking spike timings to changes in synaptic efficacy, such as the spike-timing-dependent plasticity (STDP) rule [Gerstner et al., 1996, Song et al., 2000]. However, these plasticity rules are generally quite abstract and their link to the underlying biophysical mechanisms is often unclear. The best known mechanisms in synaptic plasticity are linked to N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA-R) function. NMDA-Rs are biophysical coincidence detectors of glutamate and membrane depolarization [Mayer et al., 1984, Nowak et al., 1984]. The activation of postsynaptic NMDA-Rs defines learning rules where the relative timing of pre- and post-synaptic activity is a key parameter [Debanne et al., 1994, Nevian and Sakmann, 2006, Sjostrom et al., 2003]. In the few cases where the participation of presynaptic NMDA-Rs has been proposed, these have invariably been involved in presynaptically-expressed LTD [Rodríguez-Moreno and Paulsen, 2008b, Sjostrom et al., 2003]. Cerebellar parallel fibre-Purkinje cell (PF–PC) synaptic plasticity follows non-Hebbian plasticity rules. We have previously reported that PF-PC LTD induction needs PF bursting activity (at least pairs of spikes) [Bidoret et al., 2009] and is linked to the presence of presynaptic NMDA-Rs [Casado et al., 2002b]. In this thesis, we set out to characterise the activity requirements for bidirectional synaptic plasticity in young and adult animals, and to investigate the signalling pathways involved. Surprisingly, we found that LTP induction shares many properties with LTD induction, including a similar frequency-dependence for presynaptic activity and an absolute requirement for NMDA-R activation and NO production. However, LTP requires a different source of post-synaptic calcium increase [Ly et al., 2013a]. In contrast with other synapses [Bender et al., 2006, Fino, 2010], our data indicate that both LTP and LTD share signalling mechanisms. These involve presynaptically produced NO and postsynaptic Ca rises. Supporting the notion that the frequency dependence of plasticity arises from the involvement of presynaptic NMDA-Rs, we provide the first direct evidence for Ca influx through presynaptic NMDA-Rs in PFs in young and adult animals, settling a long-lasting controversy [Bidoret et al., 2009, Casado et al., 2002a, Shin and Linden, 2005a, Wang et al., 2014a]. Based on our data, we propose a novel mechanistic plasticity rule. This deliberately parsimonious rule can be used to interpret and predict the plasticity arising from arbitrary patterns of PF and climbing fibre (CF) activity. Our results support the notion that bidirectional synaptic plasticity depends on multi-spike activity patterns in an intricate fashion [Bidoret et al., 2009, Froemke and Dan, 2002, Pfister and Gerstner, 2006, Sjöström et al., 2001].