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Cocaine use has contributed to 5 million individuals falling into the cycle of addiction. Prior research in cocaine dependence mainly focused on rewards. Losses also play a critical role in cocaine dependence as dependent individuals fail to avoid social, health, and economic losses even when they acknowledge them. However, dependent individuals are extremely adept at escaping negative states like withdrawal. To further understand whether cocaine use may contribute to dysfunctions in aversive learning, this paper uses fMRI and an aversive learning task to examine cocaine dependent individuals abstinent from cocaine use (C-) and using as usual (C+). Specifically of interest is the neural signal representing actual loss compared to the expected loss, better known as prediction error (δ), which individuals use to update future expectations. When abstinent (C-), dependent individuals exhibited higher positive prediction error (δ+) signal in their striatum than when they were using as usual. Furthermore, their striatal δ+ signal enhancements from drug abstinence were predicted by higher positive learning rate (α+) enhancements. However, no relationships were found between drug abstinence enhancements to negative learning rates (α±-) and negative prediction error (δ-) striatal signals. Abstinent (C-) individuals' striatal δ+ signal was predicted by longer drug use history, signifying possible relief learning adaptations with time. Lastly, craving measures, especially the desire to use cocaine and positive effects of cocaine, also positively correlated with C- individuals' striatal δ+ signal. This suggests possible relief learning adaptations in response to higher craving and withdrawal symptoms. Taken together, enhanced striatal δ+ signal when abstinent and adaptations in relief learning provide evidence in supporting dependent individuals' lack of aversive learning ability while using as usual and enhanced relief learning ability for the purpose of avoiding negative situations such as withdrawal, suggesting a neurocomputational mechanism that pushes the dependent individual to maintains dependence. / Master of Science

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

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Introduction: Dernièrement, différents éléments de preuve soutiennent les avantages potentiels de l'activation des récepteurs 5-HT2C dans divers troubles psychiatriques. À cet égard, JJ-3-42, un agoniste puissant et sélectif des récepteurs 5-HT2C, a démontré un profil prometteur dans des études préliminaires chez l'animal. Cependant, l'étendue des réponses centrales de ce nouveau composé dans diverses dimensions du comportement des animaux n'est pas encore claire. Dans cette étude, nous avons étudié les implications thérapeutiques possibles de l'activation des récepteurs 5-HT2C après l'administration de JJ-3-42 à l'aide d'un large éventail de modèles animaux de troubles mentaux. Méthodes: Dans un premier temps, nous avons examiné les résultats principaux de JJ-3-42 dans une batterie de tests comportementaux chez le modèle de souris TPH2-KI avec une déficience importante de sérotonine dans le cerveau. Plusieurs tests standards liés à la cognition, à l'anxiété, aux interactions sociales et au comportement répétitif/compulsif des animaux ont été utilisés. Dans cette étude et pour la première fois, nous avons comparé JJ3-42 à un ligand de sérotonine endogène non sélectif, le 5-HTP, et à un agoniste puissant et sélectif des récepteurs 5-HT2C, CP809.101, dans une cohorte de souris de type sauvage et homozygote (HO) TPH2-KI R439H. Deuxièmement, nous avons examiné les propriétés modulatrices de JJ-3-42 sur le système de la dopamine en utilisant des indices d'activité locomotrice d'animaux de type sauvage dans différents paradigmes. À cet égard, l'efficacité de JJ-3-42 à résister à l'activité hyperlocomotrice des animaux suite à l'administration de différents psychostimulants a été évaluée. Par ailleurs, la réponse d'une injection aiguë de JJ-3-42 sur l'activité locomotrice innée de DAT-KO HO ainsi que la locomotion de souris DAT-KO HO épuisées en dopamine ont été testées. Enfin, l'effet du prétraitement quotidien de JJ-3-42 sur la réponse locomotrice d'une dose ‘challenge‘ de cocaïne chez des animaux sensibilisés a été étudié. Résultats: Nous avons observé une réduction significative des tendances comportementales répétitives et agressives des souris TPH2-KI HO après l'administration de divers agents sérotoninergiques. En utilisant deux agonistes sélectifs du récepteur 5- HT2C, CP809.101 et JJ-3-42, nous avons démontré que ces réponses bénéfiques étaient véhiculées par l'activation des récepteurs 5-HT2C dans le cerveau. De plus, nous avons enregistré un fort caractère pro-cognitif et anti-compulsif pour le nouvel agoniste de 5- HT2C, JJ-3-42, dans plusieurs paradigmes comportementaux du modèle murin TPH2-KI. Nos résultats indiquent le profil favorable de JJ-3-42 par rapport à l'autre agoniste sélectif de la 5-HT2C, CP809.10, dans les tests liés à l'anxiété. En fait, nos résultats indiquent qu’à une dose puissante et thérapeutique de 10 mg/kg, JJ-3-42 est dépourvu de toute réponse anxiogène significative chez l’animal. Dans la deuxième partie de nos expériences, JJ-3-42 a montré un profil antipsychotique robuste et dose-dépendant en résistant à l'hyperactivité normalement induite par l'administration d'apomorphine et d'amphétamine. Nos résultats démontrent qu’à une dose de 10 mg/kg, ce composé n’a aucun effet sur l’état hyperdopaminergique inné ou induit des animaux, mais qu’à 20 mg/kg, il diminue considérablement l’activité locomotrice des souris DAT-KO HO et des animaux traités par psychostimulants. Contrairement, JJ-3-42 à 10 mg/kg a potentialisé les réponses locomotrices de la cocaïne et du MK-801 chez des souris, soulignant la complexité de l'interaction des récepteurs de la sérotonine 5-HT2C et du système dopaminergique dans le cerveau. Enfin, le prétraitement quotidien des animaux avec JJ-3-42 à 10 mg/kg n'a pas modifié la réponse d'une dose de ‘challenge’ de cocaïne chez les souris sensibilisées par rapport à une solution saline dans un protocole de sensibilisation de sept jours. Conclusion: Ces résultats confirment les effets positifs de l'agoniste du récepteur 5-HT2C JJ-3-42 dans la régularisation de différentes dimensions comportementales chez les animaux. Nos résultats démontrent des propriétés antipsychotiques et procognitives convaincantes pour JJ-3-42 dans divers modèles animaux de troubles mentaux. Ce composé a permis de réduire l'impulsivité et d'améliorer la sociabilité des animaux, sans signe de réponse anxiogène. Ensemble, nos résultats suggèrent que JJ-3-42 pourrait posséder des indications thérapeutiques dans plusieurs dimensions de troubles mentaux telles que la schizophrénie, la toxicomanie ou les troubles obsessionnels compulsifs. Notre étude implique que ce médicament pourrait éventuellement entraîner moins d'effets secondaires et un meilleur contrôle des symptômes négatifs et cognitifs chez les patients psychiatriques. Enfin, nos résultats indiquent que JJ-3-42 pourrait réduire les indices d’agression et d’impulsivité sans provoquer d’anxiété dans la population cible. Considérant un besoin crucial de développer de nouveaux médicaments ayant une meilleure efficacité thérapeutique et des effets secondaires moindres, les résultats de cette thèse pourraient éventuellement conduire à une amélioration substantielle du traitement des maladies psychiatriques. / Introduction: Recently, various lines of evidence support the potential benefits of 5-HT2C receptor activation in different psychiatric disorders. In this regard, JJ-3-42 a potent and selective 5-HT2C serotonin receptor agonist has demonstrated a promising profile in preclinical animal studies. However, the extent of central responses of this new compound in various dimensions of animal behaviour is not clear yet. In this study, we investigated the possible therapeutic implications of 5-HT2C receptor activation following the administration of JJ-3-42, using a wide range of animal models of mental disorders. Methods: Firstly, we examined the central outcomes of JJ-3-42 in a battery of behavioural tests in the brain-serotonin deficient TPH2-KI mouse model. Several standard tests related to cognition, anxiety, social interaction and repetitive/compulsive behaviour were used. In this study and for the very first time, we tested the JJ-3-42 molecule, side-by-side with a non-selective endogenous serotonin ligand, 5-HTP, and a potent and selective 5-HT2C receptor agonist, CP809.101, in a cohort of wild type and homozygote (HO) TPH2-KI R439H mice. Secondly, we examined the potential of JJ-3-42 to modulate the dopamine system using indexes of locomotor activity in wild type animals using different paradigms. In this regard, the efficiency of JJ-3-42 to resist the induced hyperlocomotor activity following the administration of different psychostimulants was evaluated. Moreover, the response of acute injection of JJ-3-42 on the innate locomotor activity of DAT-KO HO as well as the locomotion of dopamine depleted DAT-KO HO mice was tested. Finally, the effect of daily pre-treatment of JJ-3-42 on the locomotor response following cocaine administration in sensitized animals was studied. Results: We observed a significant reduction of repetitive and aggressive behavioural tendencies of TPH2-KI HO mice following the administration of various serotonergic agents. Using two selective 5-HT2C agonists CP809,101 and JJ-3-42, we showed that these beneficial responses were most likely carried via activation of 5-HT2C receptors in the brain. Moreover, we recorded a strong pro-cognitive and anti-compulsive character for the new 5-HT2C agonist JJ-3-42 across related behavioural paradigms in the TPH2-KI mouse model. Our results, also, indicate the favourable profile of JJ-3-42 compared to the other selective 5-HT2C agonist CP809.10 in anxiety-related tests. In fact, our findings show that, in contrast to the compounds, at a potent and therapeutic dose of 10 mg/kg, JJ-3-42 is devoid of any significant anxiogenic response in animals. In the second part of our experiments, JJ-3-42 shows a robust and dose-dependent antipsychotic profile by preventing hyperactivity of animals induced by the administration of apomorphine and amphetamine. Our results demonstrates that, at a lower dose of 10 mg/kg, this compound has no effect on the innate or induced hyperdopaminergic state of the animals while at 20 mg/kg, it reduces the locomotor activity in DAT-KO HO mice and psychostimulant-treated WT animals. On the other hand, JJ-3-42, at 10 mg/kg, potentiated the locomotor responses of cocaine and MK-801, pointing out a complex interaction of the serotonin 5-HT2C receptors and the dopamine system. Finally, our results indicate that the daily pre-treatment of animals with JJ-3-42 at 10 mg/kg, does not change the locomotor response of a challenge dose of cocaine in sensitized mice compared to saline in a seven-days sensitization protocol. Conclusion: These results confirm the positive behavioural outcomes of 5-HT2C receptor agonist JJ-3-42 administration in the regulation of different mouse behaviours. Our results indicate compelling antipsychotic and pro-cognitive properties of JJ-3-42 in various mouse models of mental disorders. This compound successfully reduced the impulsivity and improved the sociability of the animals with no evidence of anxiogenic response. Taken together, our findings suggest that JJ-3-42 might possess therapeutic indications in several dimensions of mental disorders such as schizophrenia, drug addiction or obsessivecompulsive disorders. Our study implies that this drug could conceivably lead to fewer side effects and better control of negative and cognitive symptoms in psychiatric patients. Finally, our results indicate that JJ-3-42 might reduce the aggression and impulsivity indexes in animals, which might point out to the clinical implication of this drug in the future. Considering the crucial need for the development of new drugs possessing better therapeutic efficiency and less side effects, the results presented in this thesis should be considered a substantial progress towards the advancement of the use of 5-HT2C drugs in the treatment of psychiatric disorders.

La libération dopaminergique permet de transmettre des signaux importants sur la motivation et le contrôle moteur. Le transporteur de dopamine DAT est un acteur important de ce phénomène et implique dans sa régulation Rit2, une GTPase liée à plusieurs pathologies comme la maladie de Parkinson et la schizophrénie. La dopamine est également impliquée dans l'apprentissage par renforcement et la signalisation de stimulus appétitifs et aversifs. Nous avons mesuré, dans des modèles de surexpression et de répression génique de Rit2 dans les neurones dopaminergiques, la quantité de DAT, l'activité électrique, la signalisation dopaminergique et l'effet sur le comportement. Nous avons également observé la libération dopaminergique chez des animaux dans un paradigme de conditionnement classique avec un senseur de dopamine et la photométrie à fibre. La surexpression de RIT2 dans les neurones dopaminergiques a mené à une diminution de DAT et des neurones plus actifs et synchronisés présentant une amplitude de libération dopaminergique réduite. La répression génique de Rit2 a mené à une augmentation des niveaux de DAT et une réduction de la durée du signal dopaminergique. Finalement, la modification de l'expression de Rit2 a eu un impact sur un comportement d'apprentissage. Nos résultats montrent également une libération dopaminergique suivant la récompense dans toutes les cibles étudiées, mais une réponse hétérogène à la punition. En particulier, les cibles présentant une réponse à la punition plus grande ou égale à celle de la récompense encodaient moins l'attente de la récompense. Nos données indiquent que la modification de l'expression de Rit2 a un impact sur la signalisation dopaminergique, possiblement à travers une modification de la disponibilité de DAT. De plus, on observe que les cibles présentant une plus grande réponse à la récompense présentent une signalisation similaire à la théorie de l'erreur de prédiction de la récompense, à la différence des autres cibles étudiées. / Dopamine release allows for transmission of important signals linked to motivation and motor control. The dopamine transporter DAT is an important player in this signaling and involves in its regulation Rit2, a GTPase linked to disorders such as Parkinson's disease and schizophrenia. Dopamine is also implicated in reinforcement learning and signaling of appetitive and aversive stimuli. Here, we measured, in models of overexpression and knock-down of Rit2, the amount of DAT, the electrical activity, the dopaminergic signaling dynamics and the effect on behavior of the modification of the expression of Rit2. We also measured dopamine release with a dopamine sensor and fiber photometry in animals trained on a classical conditioning paradigm. Overexpression of Rit2 led to a reduction of DAT, and the reverse was observed in the knock-down condition. Neurons overexpressing Rit2 were more active and synchronized and showed a reduction in the amplitude of dopamine release. Knock-down of Rit2 led to a shorter dopamine signal following optogenetic stimulation. Finally, modification of the expression of Rit2 impacted learning behavior. Our results showed dopamine release following reward in all our investigated targets, but a diversity of responses to punishment in those same targets. Targets showing bigger or equal response to punishment when comparing to reward showed less encoding of reward expectation, contrary to the ones signaling more reward, who showed a stronger encoding of reward expectation. Our data show that modifying the expression of Rit2 impacts dynamics of dopamine signaling, possibly through the modification of the amount of DAT. Moreover, we observed that the targets showing a bigger response to reward presented a signaling in line with the reward prediction error, contrary to the other targets.