Le MPH est le médicament le plus prescrit pour le traitement du trouble déficitaire de l'attention/hyperactivité (TDA/H). Sa prescription de l’enfance à l’âge adulte et notamment chez les femmes en âge de procréer soulève des questions sur les effets à long terme d’un tel traitement sur le cerveau en développement. À ce jour, aucune information n’est disponible concernant la présence ou non de modifications neurobiologiques à l’âge adulte consécutives à une exposition prénatale au MPH. Nous avons utilisé un modèle d'exposition prénatale au MPH chez le rat pour étudier les conséquences d'un tel traitement sur le fonctionnement du cerveau adulte. L'imagerie scintigraphique a été réalisée pour comparer les profils métaboliques cérébraux des rats exposés en prénatal au MPH vs témoins. L'aspect structural de leur système dopaminergique a été évalué avec un immunomarquage de la TH et l'aspect fonctionnel à l'aide de microdialyse in vivo et d'immunohistochimie c-Fos dans des conditions basales et après stimulation dopaminergique. Parallèlement, l'évaluation comportementale de ces animaux vis-àvis de récompense naturelle ou synthétique ainsi que leur réactivité vis-à-vis de l'effet locomoteur de la cocaïne a été étudiée. Les animaux exposés en prénatal au MPH affichent des altérations neurobiologiques structurales et fonctionnelles associées au système dopaminergique et à sa réactivité suite à une administration de cocaïne. Nos résultats montrent aussi que ces animaux présentent une altération de la préférence et de la motivation au sucre (renforçateur naturel) alors qu'aucune différence de motivation pour s'auto-administrer de la cocaïne (renforçateur synthétique) n'a été décelée. Cependant, ces animaux montrent une baisse de sensibilité aux effets locomoteurs de la cocaïne. À notre connaissance, notre étude préclinique est la première qui rapporte des modifications neurobiologiques à long terme après une exposition prénatale au MPH. / MPH is the gold standard medication for Attention-Deficit/Hyperactivity Disorders (ADHD). MPH extended prescription to adult patients raises the question of MPH's long-term effects during brain development when it is administered to ADHD women of childbearing age. There is still no information regarding the neurobiological modifications consecutive to a prenatal exposure to MPH. We used a rat model of prenatal exposure to MPH to investigate the consequences of such treatment on adult brain functioning. Rats prenatally exposed to MPH displayed structural and functional neurobiological alterations related to dopaminergic system and its reactivity to cocaine administration. Furthermore, these animals showed behavioral changes towards natural or synthetic rewards. To our knowledge, this is the first preclinical study reporting long-lasting neurobilogical modifications after a prenatal exposure to MPH.

abstract: Dopamine (DA) is a neurotransmitter involved in attention, goal oriented behavior, movement, reward learning, and short term and working memory. For the past four decades, mathematical and computational modeling approaches have been useful in DA research, and although every modeling approach has limitations, a model is an efficient way to generate and explore hypotheses. This work develops a model of DA dynamics in a representative, single DA neuron by integrating previous experimental, theoretical and computational research. The model consists of three compartments: the cytosol, the vesicles, and the extracellular space and forms the basis of a new mathematical paradigm for examining the dynamics of DA synthesis, storage, release and reuptake. The model can be driven by action potentials generated by any model of excitable membrane potential or even from experimentally induced depolarization voltage recordings. Here the model is forced by a previously published model of the excitable membrane of a mesencephalic DA neuron in order to study the biochemical processes involved in extracellular DA production. After demonstrating that the model exhibits realistic dynamics resembling those observed experimentally, the model is used to examine the functional changes in presynaptic mechanisms due to application of cocaine. Sensitivity analysis and numerical studies that focus on various possible mechanisms for the inhibition of DAT by cocaine provide insight for the complex interactions involved in DA dynamics. In particular, comparing numerical results for a mixed inhibition mechanism to those for competitive, non-competitive and uncompetitive inhibition mechanisms reveals many behavioral similarities for these different types of inhibition that depend on inhibition parameters and levels of cocaine. Placing experimental results within this context of mixed inhibition provides a possible explanation for the conflicting views of uptake inhibition mechanisms found in experimental neuroscience literature. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Applied Mathematics for the Life and Social Sciences 2012

Ce projet de thèse concerne les 2 principales complications rencontrées en pratique clinique dans les suites de l’angioplastie-stenting artériel : la resténose et la thrombose aigüe. Pour remédier à ce problème, des stents enrobés d’agents antiprolifératifs sont déjà sur le marché, mais leurs résultats restent décevants en raison de l’augmentation du taux de thrombose tardive intrastent (RR 1,2 vs stent nu) à l’origine d’une surmortalité (RR 1,32 vs stent nu) [Lagerqvist Bo et al., N Eng J Med 2007]. Dans ce travail, nous proposons d’immobiliser sur le stent une ancre spécifique au substrat métallique soit pour immobiliser i) la molécule thérapeutique, soit pour immobiliser ii) une matrice polymère sur laquelle sera adsorbée une molécule thérapeutique dans le cas d’un système à libération prolongée; cette dernière ciblant la resténose et la thrombose. Cette ancre, issue des protéines permettant l’accroche des moules marinières à tout type de substrat [Waite JH et al., Science 1981], est la base commune pour une immobilisation par liaisons covalentes de la molécule thérapeutique ou du système polymère. La première partie du projet concernait la mise au point de l’ancre chimique spécifique dans le cadre d’une immobilisation de surface. Avec cette technique d’immobilisation, l’ancre dopamine inclue un ester activé, permettant de générer un polymère de longueur de chaine contrôlé et capable d’adsorber une quantité contrôlée et définie de molécule thérapeutique [C Zobrist et al., Macromolecules 2011]. Ce polymère de N-(Acryloyloxy)succinimide a pu être caractérisé et couplé à une molécule de glucosamine, protéoglycane aux caractéristiques pertinentes dans la problématique développée. Ce modèle a été validé sur le plan chimique et biologique. Les résultats restaient décevants concernant la prolifération des cellules musculaires lisses qui sont les cellules cibles dans la resténose.L’ancre dopamine a par la suite était modifiée dans le but de permettre le greffage d’autres fonctions chimiques, notamment amines et acides. Elle a finalement été utilisée en conditions basiques (pH 8,5) permettant d’obtenir une polydopamine [Lee et al., Science 2007].Cette polydopamine a permis l’interaction sur notre surface d’un polymère bien connu au sein de notre unité et déjà employé pour la fonctionnalisation des tissus dans le domaine biomédical, le polymère de cyclodextrine (CD) [Martel B et al., European Polymer Journal 1995]. Les CD sont des oligosaccharides cycliques sous forme de cône tronqué possédant une cavité hydrophobe interne et des groupements hydroxyles à l’extérieur engendrant un caractère hydrophile. Cette structure cyclique leur confère la capacité de former des complexes d’inclusion réversibles avec un grand nombre de molécules hydrophobes. Elles peuvent donc stocker une molécule thérapeutique en grande quantité et ont la capacité de la libérer dans le temps.L’ensemble des paramètres du procédé de fonctionnalisation permettant l’adsorption de ces 2 couches successives : polydopamine et polymère de CD a pu être optimisé. La complexation de deux molécules thérapeutiques d’intérêt à notre plateforme fonctionnalisée a pu être réalisée: la simvastatine et le paclitaxel. La simvastatine, de la famille des statines, est une molécule pléïotrope, régulatrice de la dysfonction endothéliale ; elle limite la réaction inflammatoire locale impliquée à la fois dans les phénomènes de resténose et de thrombose [Balk EM et al., Am J Med. 2004]. Le paclitaxel est un agent immunosuppresseur et antiprolifératif limitant la prolifération de la néointima [Creel CJ et al., Circ Res 2000]. Nous avons comparé notre plateforme avec un système actuellement sur le marché, le système PTX « polymer-free » mise au point par Dake et al. [Dake et al., JVIR 2011]. [...] / This work has focused on 2 major issues encountered after angioplasty and stenting of arterial occlusive disease: intra-stent restenosis and thrombosis.To prevent these postoperative complications, drug eluting stents (DES) have been developed and are currently available for clinical use; they elute antiproliferative drugs overtime which limit smooth muscle cells migration and proliferation. Long-term results of DES are jeopardized by a high late in-stent thrombosis rate (RR 1.2 vs bare metal stent) which is correlated to a higher late death rate (RR 1.32 vs bare metal stent) [Lagerqvist Bo et al., N Eng J Med 2007]. We present an original process of immobilization of a specific anchor on a metallic substrate which has the ability to directly immobilize drugs onto the metallic surface. It can also indirectly using specific biocompatible polymers load drugs onto the metallic surface which would be eluted overtime. The target for both systems is the cellular response involved in the restenosis and thrombosis process.This specific anchor, which is dedicated to several substrates, is developed from marine mussels gel [Waite JH et al., Science 1981]. It is currently a common basis for covalent immobilization of drugs and/or polymer systems able to sustain drug release.The first part of the project involved the development of a specific chemical anchor through an immobilization surface strategy. This dopamine anchor includes an activated ester, which is the starting point of the creation of a polymer with defined and controlled chain length. The generated polymer of N-(Acryloyloxy)succinimide has the ability to absorb a controlled and defined amount of drug; it has been linked with glucosamine to illustrate the potential of the system - glucosamine is a proteoglycan from the extracellular matrix of the arterial wall. The system has then been characterized and optimized for every parameters; unfortunately, results were not as good as expected regarding SMC proliferation.The Dopamine anchor has thus been modified to allow interactions with more chemical functions, including amino- and carboxylic functions. Finally, we used it under alkaline conditions (pH=8.5) where dopamine generated a network of polydopamine [Lee et al., Science 2007].Afterwards, we report an original functionalization of metallic surfaces with a hydrophilic, biocompatible and biodegradable cyclodextrin based polymer. This polymer acts as a reservoir for hydrophobic drugs allowing the sustained release of anti-proliferative drugs and promotes natural arterial wall healing. The polymer of CD is well-known in our research department and has already been used as an active coating onto textile for vascular devices [Martel B et al., European Polymer Journal 1995]. In this setting polydopamine was applied as a first coating layer onto the metallic surface in order to promote a strong anchorage of a cyclodextrin based polymer that was “in situ” generated from the native cyclodextrins and citric acid as a crosslinking agent through a polycondensation reaction. After optimization of the grafting process, the ability of this system to act as a drug eluting system was evaluated with paclitaxel (PTX) and simvastatine. PTX is a reference drug for current vascular drug eluting stents [Creel CJ et al., Circ Res 2000]. PTX is currently coated on vascular stents with a “polymer-free” method [Dake et al., JVIR 2011]. It is a highly lipophilic antiproliferative drug, and that “polymer free” system was compared as a positive control to our functionalized scaffold. We compared the results of our functionalized surface loaded of PTX and Simvastatin. Simvastatin is a pleiotropic molecule with targeted actions on arterial disease, inflammatory process and dyslipidemia [Balk EM et al., Am J Med. 2004]. [...]

Dysfunction of central dopaminergic systems has been implicated in neuroendocrine, neurodegenerative and psychiatric disorders. Monoamine oxidase and catechol-Omethyltransferase represent the key catabolic enzymes of dopamine, terminating neurotransmission following synaptic release of this catecholamine. Thus, both enzymes have been associated with the pathology of dopaminergic systems and represent therapeutic targets elf enormous clinical importance. Some neuroendocrine and circadian effects of melatonin have been attributed to an antidopamimetic effect of this pineal hormone in the hypothalamus and pituitary. Furthermore, both melatonin and dopamine modulate the behavioural output of the mesencephalic dopaminergic pathways of the basal ganglia, including movement disorders. However, the biochemical basis for the tonic inhibitory effect of melatonin in the nigro-striatal pathway has been poorly delineated. Thus, this study determined whether melatonin influences dopaminergic function in the corpus striatum of the Wistar rat by modulating monoamine oxidase and catecholO- methyltransferase activity. Reciprocally, the putative existence of an intrapineal dopaminergic system was investigated by determining the effect of selective dopaminergic agents, R-( -)apomorphine, haloperidol and dopamine, on indole metabolism of the pineal gland. The akinetic state of drug-induced catalepsy was employed as an animal model of Parkinson's disease to probe the neurotransmitter systems involved in the behavioural effects of melatonin. Indole metabolism was a reliable indicator of state-dependent metabolic fluxes in pineal gland function. These included a robust diurnal and seasonal variation in N-acetylserotonin and melatonin biosynthesis, and photoperiod- and drug-induced alterations of Inftabolism. The predominant changes could be attributed to an effect on serotonin N-acetyltransferase activity and/or the melatoninl5-methoxytryptophol ratio. Pineal 5-methoxyindole biosynthesis was determined primarily by the bioavailability of the corresponding 5-hydroxyindole and its affinity for hydroxyindole-O-methyltransferase. Evidence was found for the negative feedback or paracrine control of pineal indole metabolism by melatonin. A high inter-individual variability was observed in the biosynthesis of N-acetylserotonin and melatonin biosynthesis, and the weight of the pineal glands. Accordingly, the rats could be classified as either high or low capacity producers of these two indoles. R-(-)-apomorphine and dopamine in vitro, but not acute haloperidol in vivo, had dose- and phase-dependent effects on pineal indole metabolism. The predominant effect was a suppression of the scotophase-dependent induction ofN-acetylserotonin and melatonin biosynthesis by dopamine and R-( -)-apomorphine. It is postulated that these agonists inhibited nocturnal N-acetyltransferase activity via postsynaptic pineal D2 or D2-like receptors. The observed modulatory nature of the intrapineal dopaminergic system suggests that dopamine may be involved in the long-term regulation of pineal indole biosynthesis. Several lines of evidence are presented that the activity of striatal monoamine oxidase A and catechol-O-methyltransferase, represented predominantly by the soluble isoform, is statedependent and regulated in vivo by endogenous melatonin. Firstly, both enzymes showed a daynight variation in activity. Secondly, acute and subchronic administration and photoperiod manipulation studies indicated that both exogenous and endogenous melatonin inhibited each enzyme in a chronotypic fashion, with a more robust effect against catechol- -methyltransferase. The intensity of the in vivo effects was critically dependent on the dose, duration, route and the phase-timing of administration during the light dark cycle, and the length of the exposure to constant light. Melatonin in vitro had no effect on basal or Mg2+ -induced catechol-Omethyltransferase activity. Thus, it is proposed that the in vivo effects of the hormone can be attributed to a time-dependent change in the amount of active molecules of this enzyme. In contrast, melatonin and numerous other endogenous indolic compounds were found to be reversible inhibitors of striatal monoamine oxidase A in vitro. Structure-activity modeling revealed that the 5-methoxy moiety on the indole nucleus and substitution of the free primary amine of these compounds were the principal determinants of the potency and time-dependency of inhibition. Thus melatonin most likely has a direct inhibitory effect in vivo at the level of the active site of monoamine oxidase A. Exogenous melatonin alone had no cataleptogenic potential whereas a variety of behavioural responses were observed following intraperitoneal administration of y-hydroxybutyrate. The latter responses were state-dependent with day-night variations in intensity. Furthermore, yhydroxybutyrate stimulated melatonin biosynthesis during the photophase both in vitro and in vivo. These results point to a possible involvement of melatonin in the behavioural and neurochemical effects of y-hydroxybutyrate. Thus the general conclusion is that dopamine and melatonin display functional antagonism at the level of the pineal gland and corpus striatum of the Wistar rats. Therefore melatonin may be an important homeostatic modulator of dopaminergic neurotransmission throu~out the central nervous system. Furthermore, the putative existence of a functional pineal-striatal axis would greatly strengthen the argument for a holistic concept of brain homeostasis. The ability of endogenous melatonin to regulate monoamine oxidase A and catechol-O-methyltransferase may represent an alternative strategy for the treatment of disorders associated with these enzymes.

Les neurones dopaminergiques (DA) de l'aire tegmentale ventrale (VTA) sont au cœur du système de la récompense. Ils sont impliqués dans la transmission de messages liés au contrôle motivationnel et à l'apprentissage par renforcement, permettant de mettre en place des comportements adaptés à l'environnement, mais ont aussi un rôle important dans la mise en place des addictions. Les neurones DA de la VTA projettent majoritairement vers le Noyau Accumbens (NAc) et vers le Cortex Préfrontal (PFC). Ces neurones sont la cible des drogues d'abus qui ont toutes en commun une capacité à augmenter les niveaux de dopamine dans les structures cibles. En effet, les drogues agissent au niveau des neurones DA, ce qui provoque un détournement du système de récompense et mène à l'addiction. La nicotine module le système DAergique à travers ses actions sur les récepteurs nicotiniques à l'acétylcholine (nAChRs), qui sont fortement exprimés dans la VTA. Ainsi la nicotine provoque l'augmentation de la concentration de DA dans les zones de projection, ce qui sous-tendrait le développement de comportements maladaptés liés à une prise de drogue excessive. Néanmoins cette augmentation apparente du relargage de DA dissimule la complexité de la réponse du système DAergique à la nicotine. En effet, les neurones DA forment une population hétérogène qui ne répond pas uniformément ni aux évènements ni aux drogues. Ainsi mon travail s'est focalisé sur la caractérisation de la réponse hétérogène des neurones DA de la VTA à la nicotine. Contrairement à ce qui est communément accepté dans la littérature, la nicotine n'induit pas une augmentation généralisée de l'activité des neurones DA. Ainsi, j'ai pu analyser une sous-population DAergique qui est inhibée par la nicotine. Ces réponses à la nicotine simultanées et opposées sont anatomiquement dépendante, la population inhibée étant localisée de manière plus médiale dans la VTA que la population activée. Nous montrons que cette inhibition requiert l'activation de récepteurs DA inhibiteurs, et pourrait donc être médiée par un relargage de DA intra-VTA. Malgré le fait que nous observons aussi une ségrégation anatomique des réponses DAergiques à des évènements aversifs, ces réponses ne sont pas corrélées à celles induites par la nicotine et sont organisées de manière dorso-ventrale plutôt que médio-latérale, ce qui suggère que le message DAergique transmis en réponse à la nicotine n'est pas le même que celui transmis par l'aversion. De plus, nous avons trouvé que les réponses excitatrices et inhibitrices sont aussi induites pas d'autres drogues d'abus comme l'alcool et les benzodiazépines. Cela suggère que ces réponses peuvent être étendues à d'autres stimuli, mais aussi qu'il existe un principe d'organisation de la VTA qui est anatomiquement défini, par lequel la VTA latérale interagit avec la VTA médiale à travers un effet de réseau local. / Midbrain dopamine (DA) neurons of the ventral tegmental area (VTA) are at the center of the brain's reward system. They are involved in many different brain processes such as motivation, associative learning and reinforcement, and are critically involved in the pathophysiology of addiction. VTA DA neurons mostly project to the Nucleus Accumbens (NAc) and the Prefrontal Cortex (PFC) where they send signals related to motivational control. The common feature of drugs of abuse relates to their ability to increase DA levels in these regions. Indeed, drugs target VTA DA neurons, derailing the system from its natural reward-processing functions, which is thought to be the underlying neurophysiological mechanism leading to addiction. Nicotine is known to modulate the DAergic system through its actions on nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), which are highly expressed in the VTA. This results in an increase of DA concentrations in the areas of projection, which leads to the maladaptive behavior of nicotine addiction. However this apparent increase of DA release conceals the complexity of the system's response to nicotine. Indeed, DA neurons consist of a very heterogenous population, and don't respond uniformly to events or to addictive drugs. Thus my work has focused on the characterization of VTA DA neuron's heterogenous responses to nicotine. In contrast to the commonly acknowledged excitatory effect of nicotine on DA neurons, I've analyzed a subpopulation of DA neurons which are inhibited by nicotine. These concurrent but opposite responses to nicotine occur in an anatomically-dependent manner, with the inhibited population being localized more medially within the VTA compared to the activated population. We show that this inhibition requires the activation of inhibitory dopamine receptors, and could thus be mediated by an intra-VTA DA release. Although we also observe anatomically segregated excitatory and inhibitory responses to painful stimuli, these responses do not correlate to the ones induced by nicotine and are organized in a dorso-ventral fashion rather than a medio-lateral one, suggesting that the DAergic message conveyed by nicotine does not match the one conveyed by aversion. Moreover, we found that concurrent excitatory and inhibitory responses are also induced by other drugs of abuse such as ethanol and benzodiazepines. This suggests that these responses can be extended to other stimuli, but also that there exists an anatomically defined organizing principle of the VTA, in which the lateral VTA interacts with the medial VTA via a local network effect.

Il y a quatre ans, lorsque j’ai commencé ma thèse en Neuropharmacologie, le rôle fonctionnel du récepteur serotoninergique2B (5-HT2B) central n’était guère connu. En effet, compte tenu de la mise en évidence de son expression dans le cerveau relativement récente par rapport aux autres récepteurs à la 5-HT, peu d’études avaient porté sur son impact au sein du système nerveux central. En particulier, il était établi que les récepteurs 5-HT2B, sans effet au niveau de la voie dopaminergique (DA) nigrostriée, sont capables d’exercer un contrôle tonique excitateur sur l’activité de la voie DA méso accumbale. Sur la base de cette régulation différentielle des voies DA sous-corticales, il avait été proposé que les antagonistes du récepteur 5-HT2B pourraient constituer des outils pharmacologiques pertinents pour le traitement des pathologies liées à unedysfonction du système DA et requérant une modulation indépendante des voies DA ascendantes, telles que la schizophrénie. Cependant, l’effet du blocage des récepteurs 5-HT2B au niveau de la voie DA mésocorticale, laquelle joue un rôle pivot dans le bénéfice thérapeutique des antipsychotiques (APs) atypiques,n’avait jamais été exploré. De plus, l’analyse de la littérature avait révélé que le blocage du récepteur 5-HT2B réduit les réponses neurochimiques et comportementales induites par l’amphétamine et la 3,4-méthylènedioxyméthamphétamine, suggérant que ce récepteur pourrait également représenter une cible pharmacologique intéressante pour le traitement de l’addiction. Néanmoins, la possible implication de ce récepteur dans les effets de la cocaïne, l’une des drogues les plus consommées au monde, restait alors inconnue.Ainsi, l’objectif de cette thèse était d’étudier l’influence exercée par le récepteur5-HT2B sur l’activité DA basale et activée par la cocaïne, afin de mieux évaluer le potentiel thérapeutique de ce récepteur dans le traitement de la schizophrénie et de l’addiction. A cette fin, nous avons étudié les effets de deux antagonistes puissants et sélectifs du récepteur 5-HT2B (RS 127445 et LY 266097) sur l’activité DA, en utilisant des approches biochimiques, électrophysiologiques et comportementales chez le rat.Un premier groupe d’expériences a mis en évidence l’existence d’un contrôle tonique inhibiteur exercé par le récepteur 5-HT2B sur la libération de DA dans le cortex préfrontal médian (CPFm). Ce résultat, démontrant que les récepteurs 5-HT2B régulent de manière différentielle les trois voies DA ascendantes, indique que les antagonistes du récepteur 5-HT2B présentent un profil d’action idéale pour restaurer une fonction DA normale chez les patients schizophrènes. En accord avec cette proposition, les antagonistes 5-HT2B se révèlent efficaces dans plusieurs modèles classiquement utilisés pour prédire l’efficacité des APs, alors qu’ils n’ont pas d’effet dans une tâche comportementale prédisant la tendance des APs à induire des effets secondaires moteurs. Un second groupe d’expériences visant à étudier les mécanismes sous-tendant le contrôle différentiel exercé par le récepteur 5-HT2B sur l’activité DA montre que les effets opposés induits par les antagonistes 5-HT2B sur la libération de DA dans le CPFm et le noyau accumbens (NAc) résultent d’une interaction fonctionnelle avec les récepteurs 5-HT1A exprimés dans le CPFm. Enfin, nous avons également démontré que le blocage du récepteur 5-HT2B supprime l’hyperlocomotion provoquée par la cocaïne. Cet effet, qui se produit indépendamment de la libération de DA dans le NAc et le striatum, où l’activité DA est étroitement liée aux effets comportementaux induits par la cocaïne,implique une interaction post-synaptique dans les régions DA sous-corticales. En conclusion, le travail accompli au cours des quatre années passées apporte des informations substantielles quant au rôle fonctionnel du récepteur 5-HT2Bdans la régulation des voies DA ascendantes. / Four years ago, at the beginning of my thesis in Neuropharmacology, the functional role of the central serotonin2B receptor (5-HT2BR) remained poorly investigated. Indeed, in light of the relatively recent discovery of its presence in the mammalian brain, as compared to other 5-HT receptors, only few studies had explored its impact within the central nervous system. Interestingly, it had been shown that 5-HT2BRs, while having no effect at the level of the nigrostriatal dopaminergic (DA) pathway, afford a tonic excitatory control on the activity of the mesoaccumbal DA tract. This differential influence on subcortical DA brain regions had led to the proposal that 5-HT2BR antagonists may be a useful tool for improved treatment of DA-related disorders requiring an independent modulation of the activity of ascending DA pathways, such ass chizophrenia. However, the effect of 5-HT2BR blockade at the level of themesocortical DA pathway, which plays a pivotal role in the the rapeutic benefit of atypical antipsychotic drugs (APDs), had never been studied. In addition,analysis of the literature revealed that 5-HT2BR blockade suppresses amphetamine and 3,4-methylenedioxymethamphetamine-induced neurochemical and behavioral responses, suggesting that this receptor may also be a relevant pharmacological target for treating drug addiction. Nevertheless,its possible implication in the effects induced by cocaine, one of the most worldwide abused drugs, remained unknown.Thus, the aim of the present thesis was to study the regulatory control exerted by the 5-HT2BR on both basal and cocaine-induced stimulation of DA activity,in order to evaluate its therapeutic relevance for improved treatment of schizophrenia and drug abuse and dependence. To this purpose, we assessed the effects of potent and selective 5-HT2BR antagonists (RS 127445 and LY266097) on DA activity, by using biochemical, electrophysiological and behavioral approaches in rats.In a first group of experiments, we found that 5-HT2BRs exert a tonic inhibitory control on DA outflow in the medial prefrontal cortex (mPFC). This finding, by showing that 5-HT2BRs afford differential controls over the three ascending DA pathways, indicates that 5-HT2BR antagonists display an ideal pattern of effects to restore normal DA function in schizophrenia. Accordingly, 5-HT2BRantagonists were efficient in several behavioral models aimed at predicting APD efficacy, and had no effect in a behavioral task reflecting APD propensity to induce motor side effects. In a second group of experiments performed to determine the mechanisms under lying the differential control exerted by 5-HT2BRs on DA activity, we demonstrated that 5-HT2BR antagonist-induced opposite effects on DA ouflow in the mPFC and the nucleus accumbens (NAc)involve a functional interplay with 5-HT1ARs expressed in the mPFC. Finally,we found that 5-HT2BR blockade suppresses cocaine-induced hyperlocomotion.This effect, which occurs independently from changes of DA outflow in theNAc and the striatum, where DA activity is tightly related to cocaine-induced behavioral responses, likely involves a post-synaptic interaction in subcorticalDA brain regions.To conclude, the work accomplished over the past four years provides substantial information with regards to the functional role of 5-HT2BRs in the regulation of the activity of ascending DA pathways. In addition, while improving the understanding of the interaction between DA and 5-HT systems,the present findings altogether highlight the therapeutic potential of 5-HT2BRantagonists for treating schizophrenia and cocaine addiction.

The aim of this thesis was the functional characterization of the zebrafish parl (Presenilin-Associated Rhomboid-Like) genes which code for mitochondrial proteins involved in cell survival. A mutation in PARL has been described in Parkinson’s disease patients. I investigated the role of mitochondrial PD-related proteins using a zebrafish parla and parlb deficiency model. I found that the knockdown of both parl genes is lethal. Parla plays a larger role in patterning of the DA neurons in the ventral diencephalon than Parlb. The human PARL rescued the double morphant phenotype, suggesting function conservation between zebrafish and humans. I was able to rescue the mortality and DA neuron mispatterning observed in double morphants with synthetic pink1 mRNA. This suggests that parl genes are epistatic to pink1 in zebrafish. To visualize mitochondria specifically in dopaminergic neurons of live zebrafish, I established a transgenic line Tg(dat:tom20 MLS-mCherry) where regulatory elements of the dopamine transporter (dat) were used to drive expression of a Tom20-mCherry fusion protein that is targeted to the mitochondria. I characterised the expression of Tom20-mCherry to the mitochondria of the majority of DA neuron groups. In addition, I observed a decrease in mCherry fluorescence following MPTP exposure of live fish. The PD-related mutation in PARL is located in a cleavage site of the mammalian protein, which is necessary for the production of the beta peptide; however, this site is predicted to be absent in the zebrafish Parls. To establish the cleavage patterns of the zebrafish Parls and compare them to those of human PARL, I examined the cleavage of Parl-Flag constructs in cultured cells. I detected one band for Parla-Flag and two bands representing Parlb-Flag. The parla and parlb deficiency model along with the characterization of the cleavage patterns of Parl and the Tg(dat:tom20 MLS-mCherry) transgenic line are tools which will help elucidate the role of mitochondrial proteins in PD research.

La dopamine (DA) et la noradrénaline (NA) jouent un rôle primordial dans de nombreuses fonctions cérébrales. Elles agissent par l’intermédiaire de récepteurs couplés aux protéines G qui régulent la voie de signalisation cAMP/PKA. La NA est libérée dans tout le néocortex par les neurones du locus coeruleus (LC). Les projections DA des neurones de l’aire tegmentale ventrale sont présentes dans des régions restreintes du cortex. Le but de ce projet est de caractériser les effets de la NA et de la DA exogènes mais aussi de la libération des catécholamines endogènes sur la voie AMPc/PKA en utilisant l’imagerie de sondes fluorescentes. J’ai montré que la NA, l’isoprotérénol, la DA ou le SKF 38393 stimulent l’activité PKA dans les cellules pyramidales, notamment dans les régions peu innervées par les fibres DA. Les réponses NA et isoprotérénol sont inhibées par les antagonistes β-adrénergiques et les réponses DA par un antagoniste des récepteurs D1/D5. La contribution inhibitrice des récepteurs D2 dopaminergiques et α2-adrénergiques a été mise en évidence. Les récepteurs NA et DA sont donc fonctionnellement exprimés bien au delà du territoire innervé par les fibres DA. L’expression sélective du canal photosensible channelrhodopsine (ChR2) dans les neurones NA combinée à l’imagerie PKA dans le cortex m’a permis de montré que la libération endogène de NA induite par photostimulation augmente réversiblement l’activité PKA. Ces réponses sont inhibées par les antagonistes β- adrénergiques et leur amplitude augmentée par un bloquant de la recapture de la NA. Cette approche permet donc de caractériser en temps réel la transmission catécholaminergique avec une résolution subcellulaire. / Dopamine (DA) and noradrenalin (NA) are critically involved in multiple brain functions. NA and DA modulate neuronal functions via G protein coupled receptors and cAMP/PKA signaling. NA is released in the entire neocortex by axons of locus coeruleus (LC) neurons. DA projections to the neocortex, which originate in the ventral tegmental area, innervate more restricted areas. The aim of this project is to characterize the effect of exogenous and endogenously released NA and DA on cAMP/PKA signaling by using PKA sensitive fluorescent sensors. I showed PKA activation in pyramidal neurons in response to bath application of NA, isoproterenol, DA and SKF38393. Responses were observed throughout the cortex even in areas poorly innervated by DA fibers. Responses to NA and isoproterenol were inhibited by β-receptors antagonists while responses to DA and SKF38393 were blocked by a D1/D5 receptor antagonist. The negative contribution of D2-like and α2-adrenoceptor to PKA signaling was also demonstrated using specific antagonists. These results show a widespread distribution of functional NA and DA receptors in the neocortex that extends far beyond the territory of DA fiber innervations. The selective expression of the light activated Channelrhodopsin2 in NA neurons combined with cortical PKA imaging allowed demonstrating that release of endogenous NA reversibly increases PKA activity. These responses were blocked by β-receptors antagonists while a NA transporter inhibitor increased responses. These results demonstrate that endogenous NA released from LC fibers activates the cAMP/PKA pathway in cortical neurons, providing a means to characterize catecholaminergic transmission events.

La tétrahydrobioptérine (BH4) est le cofacteur requis pour l’activité des enzymes responsables de la synthèse de la dopamine, la sérotonine et l’oxyde nitrique. Par conséquent, la BH4 est nécessaire au bon déroulement de nombreux processus physiologiques centraux et périphériques dont la neurotransmission, la réponse inflammatoire, la régulation du stress oxydatif, la fonction vasculaire et endothéliale et le métabolisme. Or, de par sa structure chimique, la BH4 est une molécule facilement oxydable et dégradable, et des diminutions des niveaux centraux de BH4 ont été observées dans de nombreuses maladies neuropsychiatriques à composante inflammatoire dont la maladie d’Alzheimer et la dépression majeure. Le déficit de BH4 apparait donc comme un mécanisme pouvant participer à l’étiologie de ces pathologies et en aggraver les symptômes. Malgré ces observations, les effets d’une administration de BH4 sur la neurophysiologie et les comportements en s’y rapportant restent largement inexplorés. L’objectif de cette thèse a donc été de caractériser les effets d’une administration périphérique de BH4 sur la fonction cérébrale et le comportement chez la souris. Nous nous sommes intéressés aux effets de BH4 sur le système dopaminergique mésolimbique et la motivation en condition physiologique puis en situation d’inflammation aigue. Dans un second temps, nous avons exploré le potentiel thérapeutique de la BH4 dans le traitement de la maladie d’Alzheimer. Nous avons tout d’abord démontré que la BH4 traversait la barrière hémato-encéphalique et qu'une injection périphérique permettait d’augmenter les niveaux centraux de BH4. Nos travaux ont montré qu’en condition physiologique, l’administration de BH4 potentialise la libération de dopamine dans le nucleus accumbens et les comportements motivés. En condition de neuroinflammation aiguë induite par le LPS, l’administration de BH4 permet d’atténuer la neuroinflammation. Ces données suggèrent un potentiel bénéfique de la BH4 sur les troubles motivationnels induits par l’inflammation. Dans notre deuxième étude, nous avons démontré que l’administration chronique de BH4 permet de corriger les déficits mnésiques observés dans le modèle murin triple transgénique de la maladie d’Alzheimer. La supplémentation en BH4 induit également une diminution de la neuroinflammation ainsi qu’une amélioration de la tolérance au glucose. Cependant, ces améliorations mnésiques, métaboliques et inflammatoires ne s’accompagnent pas d’une diminution des pathologies amyloïde et tau.Ainsi, l’ensemble de ces travaux a permis une meilleure caractérisation des effets neurobiologiques et comportementaux de la BH4 et renforce son potentiel thérapeutique. / Tetrahydrobiopterin (BH4) is the required cofactor for the activity of the enzymes involved in the synthesis of dopamine, serotonin and nitric oxide. BH4 is therefore necessary for many central and peripheral physiological processes including neurotransmission, inflammatory response, oxidative stress regulation, vascular and endothelial function, and metabolism. However, BH4 can be easily oxidized and degraded and decreased BH4 brain levels has been observed in many neuropsychiatric diseases including Alzheimer's disease and major depression. Consequently, the decrease in BH4 levels in these pathologies could contribute to the onset and aggravation of symptoms. Despite these observations, the effects of BH4 administration on brain function and related behavior remain largely unexplored. The aim of this thesis was to characterize the effects of peripheral BH4 administration on brain function and behavior in mice. We investigated the effects of BH4 on the mesolimbic dopaminergic system and motivation in physiological condition and during acute inflammation. Then, we explored the therapeutic potential of BH4 in the treatment of Alzheimer's disease. We first demonstrated that BH4 crossed the blood-brain barrier and that a peripheral injection of BH4 increased its cerebral levels. Our results also showed that under physiological condition, BH4 administration potentiates dopamine release into the nucleus accumbens and motivated behaviors. In condition of acute LPS-induced neuroinflammation, BH4 administration helps to reduce neuroinflammation. Therefore, BH4 may have beneficial effects on dopaminergic and motivational disturbances induced by inflammation. In our second study, we demonstrated that chronic administration of BH4 reversed memory deficits observed in the transgenic triple murine model of Alzheimer's disease. We also observed a decrease in neuroinflammation and an improvement in glucose tolerance. However, these memory, metabolic and inflammatory improvements are not accompanied by a decrease in amyloid and tau pathologies. This work had contributed to a better characterization of the neurobiological and behavioral effects of the BH4 and reinforces its therapeutic potential.

Previous findings from this laboratory demonstrating changes in dopamine (DA) transporter and D2 receptors in the amygdaloid complex of subjects with major depression indicate that disruption of dopamine neurotransmission to the amygdala may contribute to behavioral symptoms associated with depression. Quantitative real-time RT-PCR was used to investigate the regional distribution of gene expression of DA receptors in the human amygdala. In addition, relative levels of mRNA of DA receptors in the basal amygdaloid nucleus were measured postmortem in subjects with major depression and normal control subjects. All five subtypes of DA receptor mRNA were detected in all amygdaloid subnuclei, although D1, D2, and D4 receptor mRNAs were more abundant than D3 and D5 mRNAs by an order of magnitude. The highest level of D1 mRNA was found in the central nucleus, whereas D2 mRNA was the most abundant in the basal nucleus. Levels of D4 mRNA were highest in the basal and central nuclei. In the basal nucleus, amounts of D4, but not D1 or D2, mRNAs were significantly higher in subjects with major depression as compared to control subjects. These findings demonstrate that the D1, D2 and D4 receptors are the major subtypes of DA receptors in the human amygdala. Elevated DA receptor gene expression in depressive subjects further implicates altered dopaminergic transmission in the amygdala in depression.