Les douleurs neuropathiques, caractérisées par une prévalence élevée, résultent de la compression ou lésion de nerfs. Les antidépresseurs figurent parmi les traitements de première intention de cette pathologie, toutefois des besoins médicaux restent insatisfaits par ces molécules. Mon travail de thèse s'est intéressé à la connexine 43 (Cx43) astrocytaire impliquée dans le mécanisme d'action des antidépresseurs ainsi que dans les douleurs neuropathiques. La première partie des travaux, réalisée avec des cultures d'astrocytes corticaux de souris, a permis de préciser le lien entre les antidépresseurs et la Cx43 astrocytaire. Alors que son expression s'est avérée inchangée dans notre modèle, un effet hétérogène des antidépresseurs a été observé sur le couplage intercellulaire des astrocytes. L'ensemble des molécules testées a conduit à l'inhibition de l'ouverture des hémicanaux de Cx43 étudiée dans un contexte inflammatoire, notre étude est la première à rapporter cet effet. De plus, les antidépresseurs prescrits dans les douleurs neuropathiques ont induit l'inhibition du couplage et/ou des hémicanaux. La seconde partie de mes travaux a porté sur la combinaison entre l'amitriptyline et la méfloquine. Ceci repose sur les approches combinatoires proposées par Theranexus, start-up avec qui la thèse a été réalisée. Les deux molécules ont présenté une synergie d'effet sur la réduction du couplage astrocytaire in vitro corrélée a une potentialisation de l'action anti-hyperalgésique de l'amitriptyline in vivo, chez le rat lésé au niveau du nerf sciatique. Ces résultats valident l'implication de la Cx43 astrocytaire dans la réponse antinociceptive des antidépresseurs. / Neuropathic pain, characterised by a marked prevalence, is the consequence of nerve compression or lesion. Antidepressants represent the main treatments of this disease, however, medical needs remain mostly unsatisfied by these molecules. In order to improve this therapeutical approach, my thesis work has focussed on astroglial connexin 43 (Cx43) that has recently been involved in the mechanism of action of antidepressant as well as in neuropathic pain. The first part of my work, performed in primary cultures of mouse cortical astrocytes, has allowed to reinforce the link between antidepressants and Cx43 in astrocytes. Whereas its expression was unchanged in our model, an heterogeneous effect of antidepressants was observed on the intercellular communication of astrocytes. Furthermore, all tested molecules led to the inhibition of Cx43 hemichannel activity in an inflammatory context, our study is the first to report such effect. Interestingly, antidepressants prescribed in neuropathic pain induced inhibition of coupling and/or hemichannels. The second part of my work concerned the combination between amitriptyline and mefloquine. This is based on combinatorial approaches proposed by Theranexus, a start-up partner in this project. The association of the two molecules presented a synergy on astroglial coupling reduction in vitro correlated to a potentiation of the anti-hyperalgesic effect of amitriptyline in vivo, in rats with injured sciatic nerve. These results confirm the implication of the astroglial Cx43 in the antinociceptive response to antidepressants.

La douleur chronique est une pathologie invalidante de longue durée notamment caractériséepar trois symptômes : l’allodynie (un stimulus non douloureux est perçu comme douloureux),l’hyperalgésie (un stimulus douloureux est perçu comme encore plus douloureux) et desdouleurs ambulatoires. Quand cette douleur est due à une lésion ou une dysfonction du systèmenerveux on parle de douleur neuropathique. Chez les patients et les modèles animaux dedouleurs neuropathiques, les études ont montré que les neurones thalamiques étaienthyperexcitables. Les cellules gliales, astrocytes et microglies, sont des partenaires synaptiquesimpliqués dans la transmission et la plasticité synaptique et pourraient être impliqués dans cephénomène. En effet, ces cellules peuvent modifier leur phénotype lorsque le système nerveuxest affecté, elles sont réactives : leur morphologie est hypertrophiée, l’expression d’ARNm et deprotéines comme iba-1 (ionized binding-adaptor molecule 1) et CD11b/c (cluster ofdifferentiation 11b/c) pour les cellules microgliales et GFAP (glial fibrillary acidic protein) etS100β (S100 calcium binding protein β) pour les cellules astrocytaires est augmentée. Ellespeuvent également libérer des molécules pro-inflammatoires. Tout ceci pourrait générer ouamplifier l’hyperexcitabilité des neurones présents dans le thalamus.Mon travail de thèse a consisté en l’étude des astrocytes et de la microglie thalamique dans lemodèle de douleurs neuropathiques de ligature des nerfs spinaux L5-L6 du nerf sciatique (spinalnerve ligation, SNL). Les symptômes d’allodynie et d’hyperalgésie mécaniques ont étécaractérisés par le test des filaments de von Frey et les douleurs ambulatoires par le test dedistribution pondéral dynamique. L’expression des ARNm de marqueurs gliaux a été étudiée parune approche de qRT-PCR sur des prélèvements thalamiques et sur des noyaux thalamiquesobtenus par microdissection au laser. L’expression neurochimique des marqueurs iba-1,CD11b/c, Cathepsine S, GFAP et S100β a été étudié par immunohistofluorescence en quantifiantle nombre de cellules immunopositives et la surface occupée par les marqueurs. Toutes cesexpériences ont été réalisées à J14 et J28 après la chirurgie.A J14, les animaux SNL développent des symptômes d’allodynie et d’hyperalgésie mécaniqueainsi que des douleurs ambulatoires. Chez ces animaux, les cellules microgliales thalamiquesprésentent des signes de réactivité avec l’augmentation de l’expression des ARNm desmarqueurs CTSS et CX3CR1, le récepteur de la fractalkine, marqueurs connus pour leursimplications dans l’hyperexcitabilité neuronale spinale en conditions de douleursneuropathiques. De plus, l’expression neurochimique des marqueurs gliaux étudiés est diminuéece qui se traduit notamment par une diminution du nombre de cellules immunopositives pources marqueurs chez les animaux SNL. A J28, les symptômes douloureux sont maintenus. De plus,la réactivité microgliale décelée à J14 par qRT-PCR est toujours présente avec l’augmentation del’expression de l’ARNm codant pour la fractalkine (CX3CL1), partenaire de la voieCTSS/CX3CR1/CX3CL1. La diminution de l’expression neurochimique thalamique desmarqueurs gliaux chez les animaux SNL était transitoire et n’est plus présente à J28. Enrevanche, des signes de réactivité astrocytaire thalamique ont été mis en évidence chez lesanimaux SNL.Ainsi, ce travail dévoile une ambivalence au niveau des altérations de la glie thalamique dans cemodèle SNL: une diminution précoce de l’expression des marqueurs gliaux thalamiques suivied’une réactivité astrocytaire plus tardive concomitante à des signes de réactivité microgliale. Denombreuses expériences sont encore nécessaires pour appréhender l’impact de cetteambivalence gliale thalamique inédite dans un contexte de douleur neuropathique. / Chronic pain is an incapacitating and long lasting pathology mainly characterized by threesymptoms: allodynia (a non painful stimulus is perceived as painful), hyperalgesia (a painfulstimulus is perceived as more painful) and ambulatory pains. When chronic pain is due to alesion or dysfunction of nervous system it is called neuropathic pain. In both patients and animalmodels of neuropathic pain, researchers found that thalamic neurons are hyperexcitable. Glialcells, astrocytes and microglia, are strong synaptic partners involved in synaptic transmissionand plasticity and therefore could be involved in this phenomenon. Indeed, these cells canmodify their phenotype when nervous system is damaged. They become reactive: theirmorphology is hypertrophied, mRNA and protein expression of iba-1 (ionized binding-adaptormolecule 1) and CD11b/c (cluster of differentiation 11b/c) for microglia and GFAP (glialfibrillary acidic protein) and S100β (S100 calcium binding protein β) for astrocytes is increased.They could also release pro-inflammatory molecules. All of these could contribute to generate oramplify the thalamic neuronal hyperexcitability.In my PhD work I studied thalamic astrocytes and microglia in a rat neuropathic pain model ofL5-L6 spinal nerves ligation (SNL). Mechanical allodynia and hyperalgesia were characterizedwith von Frey filament test and ambulatory pain with dynamic weight bearing apparatus. mRNAexpression of glial markers were studied with qRT-PCR technique on thalamic punches andlaser-microdissected nuclei. Neurochemical expressions of iba-1, CD11b/c, cathepsin S, GFAPand S100β markers were quantified using an immunohistofluorescence approach to count thenumber of immunopositive cells and surface stained by these markers. All these experimentswere done at D14 and D28 after surgery.At D14, SNL animals develop mechanical allodynia and hyperalgesia as well as ambulatory pain..For these animals, thalamic microglial cells showed signs of reactivity with the increase mRNAexpression of CTSS and CX3CR1, fractalkine receptor, well known markers involved in spinalneuronal hyperexcitability under neuropathic pain conditions. In addition, the number ofimmunopositive cells for the glial markers is decreased in SNL animals. At D28, the neuropathicpain symptoms are still present. Furthermore, thalamic microglial reactivity found at D14 withqRT-PCRm method is still present with the increased mRNA expression of fractalkine (CX3CL1),partner of CTSS/CX3CR1/CX3CL1 pathway. The decreased neurochemical expression of glialmarkers found at D14 was transient as I didn’t find this result at D28. However, thalamicastrocytic reactivity was found at D28 in SNL animals.So, this work reveal a new glial process at thalamic level in this SNL model of neuropathic pain :an early decreased expression of glial markers and then a later thalamic astrocytic reactivityconcomitant with signs of thalamic microglial reactivity. Numerous studies are required toexplore the role of such novel ambivalent glial alterations in the context of neuropathic pain.

Les douleurs neuropathiques sont associées dans la moelle épinière à des altérations neuronales et gliales. Ces cellules libèrent des médiateurs inflammatoires comme l'interleukine-6, jouant un rôle pro-nociceptif et qui active principalement la voie JAK/STAT3. Dans ce contexte, nous avons étudié l'implication éventuelle de la voie dans ce type de douleurs. Dans différent modèles de lésions de nerf périphérique chez le rat, la voie JAK/STAT3 spinale est activée de façon précoce et prolongée, surtout dans la microglie. L'inhibition de cette voie par un agent pharmacologique a démontré son implication dans la genèse de l'hypersensibilité douloureuse. Pour inhiber plus spécifiquement la voie JAK/STAT3, nous avons injecté dans la corne dorsale de la moelle épinière un vecteur lentiviral à fort tropisme glial (LV-SOCS3). L'injection préventive de ce vecteur chez des rats neuropathiques diminue l'expression d'IL-6, ATF3 et MCP-1 et réduit fortement l'hypersensibilité mécanique.

Les douleurs neuropathiques sont secondaires à une maladie ou à une lésion affectant le système nerveux somatosensoriel et sont mal soulagées par les antalgiques usuels. Dans notre travail préclinique, nous avons étudié l’effet de différentes molécules, dont des antidépresseurs et antiépileptiques recommandés dans le traitement des douleurs neuropathiques. Dans un modèle murin de neuropathie traumatique, nous avons étudié l’influence de la période de traitement, précoce ou tardif, sur l’allodynie mécanique. Un traitement précoce par gabapentine ou par carbamazépine permet d’observer un effet préventif sur la chronicisation de l’allodynie. Dans un modèle murin de neuropathie diabétique, nous avons caractérisé l’action anti-allodynique d’un traitement par nortriptyline et par terbutaline. En clinique, nous avons réalisé un travail d’enquête rétrospective sur des patients opérés par thoracotomie. L’analyse des résultats montre une diminution significative du risque de présenter des douleurs chroniques avec des caractéristiques neuropathiques chez les patients traités par β2-agonistes au long cours. / Neuropathic pain is caused by a lesion or disease of the somatosensory nervous system and is badly relieved by usual antalgics. In our preclinical work, we studied the effect of various molecules, in particular antidepressant and anticonvulsant drugs wich are recommended in the treatment of neuropathic pain. In a murine model of traumatic neuropathy, we studied the influence of the period of treatment, early or late, on the mechanical allodynia. An early treatment with gabapentin or carbamazepine leads to a preventive effect on sustained allodynia. In a murine model of diabetic neuropathy, we characterized the antiallodynic action of nortriptyline and terbutaline. In our clinical work, we realized a retrospective survey on patients operated by thoracotomy. The analysis of the results show a significant decrease of the risk to suffer from chronic pain with neuropathic characteristics in patients treated with long-term β2- agonists.

Les neuropathies des petites fibres (NPF), ou neuropathies douloureuses, se caractérisent par des douleurs neuropathiques et une dysautonomie, symptômes particulièrement invalidant et dont la prise en charge thérapeutique actuelle n’est pas satisfaisante. La biopsie cutanée, actuel examen « gold standard » dans le diagnostic des NPF, est un outil intéressant du fait de sa simplicité de réalisation sans séquelle, et de son accessibilité. Cependant, son interprétation actuelle est limitée, n’apportant qu’une information quantitative sur l’existence ou non d’une perte en fibres intra-épidermiques, résultante des NPF plus qu’une explication de la symptomatologie. Dans une première étude nous avons comparé la quantification des fibres de la biopsie cutanée à leur analyse fonctionnelle explorée par le SUDOSCAN®, ne retrouvant qu’une faible corrélation entre les deux outils et confirmant le mauvais reflet de la fonctionnalité des fibres dans la biopsie cutanée. De plus, dans une deuxième étude sur les patients Charcot-Marie-Tooth 1A, nous n’avons pas mis en évidence de corrélation entre la biopsie cutanée et les symptômes (sauf la sensibilité à la piqûre), soulignant une nouvelle faiblesse de cet examen. Concernant les biomarqueurs cutanées, l’analyse des cellules de Langherans dans différentes neuropathies a retrouvé une augmentation de celles-ci chez les patients diabétiques et une densité plus faible chez les sujets sains, mais également une diminution chez le patient CMT1A, sans jamais aucune corrélation avec la densité des petites fibres. Enfin, dans une troisième partie étudiant le syndrome POEMS, nous avons mise en évidence que la vascularisation cutanée, significativement plus élevée dans le POEMS, serait un biomarqueur candidat intéressant à visée diagnostique étiologique. La recherche de biomarqueurs cutanés, afin d’augmenter la puissance diagnostique, de mieux comprendre la physiopathologie de la perte en fibres pour de trouver des cibles thérapeutiques et améliorer la prise en charge de ces patients, parait essentielle. Des études supplémentaires sont nécessaires, et certaines sont en cours dans la continuité de ce travail. / Small-fiber neuropathies (SFN), or painful neuropathies, are characterized by neuropathic pain and autonomic dysfunction, which are particularly disabling symptoms and whose current therapeutic management is not satisfactory. The skin biopsy, which is the "gold standard" in the SFN diagnosis, is an interesting easy to do and accessible. However, its current interpretation is limited, bringing only a quantitative information: there is a loss of intraepidermic nerve fibers, resulting from SFN more than an explanation of the symptomatology. In a first study, we compared the quantification of skin biopsy fibers with their functional analysis explored by SUDOSCAN®. We found a weak correlation between the two tools, confirming that skin biopsy is not a good reflet of fibers function. Nevertheless, in a second study on Charcot-Marie-Tooth 1A patients, we found a correlation between cutaneous biopsy and sensitivity to sting, sensitivity transmitted by small fibers. Regarding cutaneous biomarkers, analysis of Langherans cells in different neuropathies found an increase in these in diabetic patients and a lower density in healthy subjects, but also a decrease in patients affected with CMT1A, without ever having any correlation with small nerve fibers density. Finally, in a third part studying the POEMS syndrome, we found that the dermal vascularization, which is significantly higher in POEMS, would be an interesting candidate biomarker for etiological diagnostic purposes. The search for skin biomarkers to improve the diagnosis and to better understand the pathophysiology of fiber loss in order to find therapeutic targets to improve the management of these patients seems essential. Additional studies are needed, and some are ongoing as a continuation of this work.

La transmission des messages douloureux depuis les nocicepteurs périphériques jusqu’aux structures supraspinales est sous le contrôle de systèmes modulateurs, parmi lesquels figurent les voies bulbo-spinales sérotoninergiques. Cependant leur rôle n’est pas complètement élucidé puisque selon le type de récepteur sérotoninergique mis en jeu, elles pourraient soit réduire la sensation douloureuse soit au contraire l’exacerber. De plus, le contrôle exercé par la sérotonine (5 HT) pourrait dépendre du type de douleur, aiguë, inflammatoire ou neuropathique chronique. En réalité, ces ambiguïtés tiennent au fait que les études réalisées jusqu’à présent ont surtout impliqué des approches pharmacologiques souvent peu fiables. Ce constat m’a conduit à mettre en œuvre une nouvelle approche expérimentale pour tenter de cerner le véritable rôle modulateur des voies sérotoninergiques bulbo-spinales sur différents types de douleur dans des conditions physiologiques normales ou physiopathologiques chez le rat. A cette fin, j’ai réalisé ce travail de thèse en trois étapes. La première étape a consisté à préciser les caractéristiques anatomiques des voies sérotoninergiques bulbo-spinales visualisées par un marquage antérograde (PHA-L) couplé à l’immunomarquage du transporteur de la sérotonine (SERT). L’étude différentielle des deux sous-structures de la région bulbaire B3 : le noyau raphé magnus (RMg) et le noyau paragigantocellulaire latéral (LPGi) m’a permis de montrer que les neurones sérotoninergiques qu’elles contiennent se projettent respectivement dans les couches profondes (VI-VI) et superficielles (I-II) de la corne dorsale, à tous les étages de la moelle épinière. Afin de dépléter sélectivement la 5-HT dans la corne dorsale, j’ai, dans une deuxième étape, injecté bilatéralement dans la région B3 un lentivirus recombinant LV-shTPH2 pour y éteindre l’expression de la TPH2, l’enzyme limitante de la synthèse de 5-HT. Les contrôles immunohistochimiques ont montré l’inhibition bilatérale de l’expression de la TPH2 dans le RMg et le LPGi, et la diminution de l’immunomarquage de la 5-HT sélectivement dans la corne dorsale, l’expression inchangée du transporteur SERT confirmant le maintien de l’intégrité des fibres sérotoninergiques chez les rats LV-shTPH2. L’évaluation de la sensibilité des animaux ainsi déplétés en 5-HT à différents tests validés de nociception aiguë n’a pas révélé de modifications significatives par rapport aux témoins. Mais dans des conditions de forte stimulation nociceptive thermique (50°C) ou chimique (carragénine), l’augmentation de l’immunomarquage de c-Fos dans la corne dorsale chez les rats LV-shTPH2 montre que la déplétion de 5-HT facilite la sensibilisation synaptique. Des différences encore plus nettes entre les rats LV-shTPH2 et les témoins sont surtout apparues en cas de douleur inflammatoire (formaline) ou neuropathique (ligature du nerf sciatique). Les modifications induites par la déplétion de 5-HT n’étaient cependant pas univoques puisqu’une hypoalgésie a été observée dans le cas d’une douleur inflammatoire et, qu’au contraire, l’hyperalgésie associée à la douleur neuropathique était exacerbée chez les rats LV-shTPH2. Ces modulations opposées laissant à penser l’implication de projections et/ou de récepteurs sérotoninergiques distincts, nous avons réalisé, dans une troisième étape, une étude pharmacologique qui a permis de montrer que l’effet pro-hyperalgésique observé chez les rats neuropathiques déplétés en 5-HT était probablement lié à un déficit d’activation de récepteurs 5 HT7. Notre étude démontre la réalité du contrôle physiologique du relai spinal des voies nociceptives par la 5-HT, via l’implication de projections bulbo-spinales et de récepteurs sérotoninergiques dont l’identification pourrait déboucher sur de nouvelles perspectives thérapeutiques. / The transmission of pain signals from peripheral nociceptors to supraspinal structures is under the control of modulatory systems, which include bulbo-spinal serotoninergic pathways. However, their role is not yet fully understood, as they may as well reduce or exacerbate pain as a function of 5-HT receptor types involved. Furthermore, their modulatory role might also differ depending on whether pain is acute, or chronic, with inflammatory or neuropathic origin. In fact, this ambiguous knowledge results from data essentially obtained with rather unreliable pharmacological approaches. This led me to set up an innovative experimental approach for a better assessment of the real implication of bulbo-spinal serotoninergic projections in pain control mechanisms under validated physiological and pathophysiological conditions in the rat. To this goal, I performed my PhD thesis work in three steps. The first step consisted of a precise anatomical description of bulbo-spinal serotoninergic projections identified by anterograde labeling (with PHA-L) and immunolabeling of the 5-HT transporter (SERT). The differential labeling of the two sub-areas within the B3 bulbar region : the nucleus raphé magnus (RMg) and the nucleus paragigantocellularis lateralis (LPGi) allowed the demonstration that their respective 5-HT neuron groups project separately into the deep (V-VI) and superficial (I-II) laminae of the dorsal horn, at all levels of the spinal cord. For the second step, aimed at depleting 5-HT selectively within the dorsal horn, I injected bilaterally into the B3 area a recombinant lentivirus, LV-shTPH2, designed to suppress the expression of TPH2, the rate limiting enzyme for 5-HT synthesis. Immunohistochemical controls showed that the resulting bilateral inhibition of TPH2 expression in both the RMg and the LPGi was associated with 5-HT depletion but no change in SERT (as expected of unaltered 5-HT fibers) in the dorsal horn. Using various behavioral tests, I could not detect any change in acute pain sensitivity in 5-HT-depleted rats. In contrast, the increased c-Fos immunohistochemical labeling within the dorsal horn after strong thermal (50°C) or chemical (carrageenan) noxious stimulation showed that 5-HT depletion promotes synaptic sensitization. Even more striking differences between LV-shTPH2 injected rats and paired controls were observed in case of inflammatory (formalin) or neuropathic (sciatic nerve ligation) pain. However, 5-HT depletion-induced changes differed under both conditions since hypoalgesia was noted in case of inflammatory pain, whereas neuropathic pain-evoked hyperalgesia was enhanced in 5-HT depleted, LV-shTPH2-injected rats. Because such opposite modulations might have been underlain by distinct serotoninergic pathways (i.e. from the RMg versus the LPGi for instance) and/or distinct 5-HT receptors, we decided, within the time remaining for achieving my PhD work, to perform a third step, focused on the 5-HT7 receptor type. Using pharmacological approaches, we could obtain data showing that exacerbated hyperalgesia in 5-HT-depleted neuropathic rats resulted from loss of tonic 5-HT7 receptor activation by endogenous 5-HT. Altogether, our data clearly demonstrate that bulbospinal serotoninergic projections are involved in the physiological control of pain signaling at spinal cord level. Further identification of underlying neuronal pathways and receptors might open novel therapeutic perspectives.

Les neurones endommagés développent de l'activité ectopique, c'est-à-dire qu'ils déchargent en l'absence de stimulus, ce qui engendre ensuite des douleurs neuropathiques. Des mesures expérimentales ont lié cette activité ectopique à un décalage cinétique (coupled left-shift, CLS) des canaux sodiques tensiodépendants. Nous avons donc construit un modèle numérique d'axone où une portion endommagée subit un tel décalage. Deux résultats fondamentaux et nouveaux sont obtenus : 1) En présence d'activité ectopique, une stimulation à haute fréquence peut entraîner la zone ectopique de l'axone à décharger à la même fréquence que le stimulus. La propagation est alors presque normale. 2) Dans un axone faiblement endommagé, sans activité ectopique au départ, un stimulus temporaire peut déclencher une activité ectopique qui perdure. Ceci amplifie le stimulus et peut donc être lié aux symptômes de douleurs neuropathiques. En plus de ces travaux de recherche, cette thèse propose une imposante section pédagogique, adressé au physicien qui débute en neurosciences. Injured neurons exhibit ectopic activity (ie. they fire without being stimulated), leading to neuropathic pain. Experiments have linked this ectopic activity to a kinetic shift (coupled left-shift, CLS) of the voltage-gated sodium channels. Therefore, we have designed a computational model axon where a damaged zone is affected by such a left-shift. Two important novel results were obtained : 1) In an ectopic axon, high-frequency stimulation can force the ectopic zone to phase-lock to the stimulation frequency. Propagation is then almost normal. 2) In a weakly damaged axon, without initial ectopic activity, a short stimulus can trigger a long lasting ectopic activity. This amplifies the stimulus and can thus be linked to neuropathic pain-like symptoms. In addition to this research work, this thesis encompasses a large educational section, addressed to physicists just starting in neuroscience.

L’oxaliplatine, anticancéreux utilisé pour le traitement du cancer colorectal, est responsable d’une neurotoxicité périphérique dose-limitante affectant une grande majorité de patients. La neurotoxicité de l’oxaliplatine se présente sous deux formes : une forme immédiate, se traduisant par des paresthésies transitoires, et une forme retardée et cumulative, caractérisée par l’apparition d’une neuropathie périphérique douloureuse fortement invalidante. A l’heure actuelle, la prise en charge des douleurs neuropathiques est souvent incomplète, principalement à cause du manque de traitements efficaces et bien tolérés. Dans ce contexte, il existe un réel besoin d’innovation thérapeutique pour améliorer le traitement de ces neuropathies, nécessitant au préalable une meilleure compréhension de leur physiopathologie. La première partie de ce travail porte sur l’évaluation de l’effet d’une alimentation sans polyamines sur l’apparition et la chronicisation de la neurotoxicité de l’oxaliplatine chez le rat. En effet, en modulant positivement la sous-unité NR2B des récepteurs NMDA, les polyamines alimentaires pourraient faciliter la sensibilisation douloureuse. Un régime sans polyamines a permis de prévenir l’hypersensibilité thermique et mécanique induite par l’oxaliplatine. Bien que ces symptômes nociceptifs ne soient pas associés à une augmentation de l’expression de la sous-unité NR2B au niveau spinal, l’ifenprodil (antagoniste NR2B spécifique) permet d’en diminuer l’intensité de manière dose-dépendante. Enfin, une étude métabolomique réalisée par spectroscopie RMN du proton a montré que le régime sans polyamines permettait de réguler la neurotransmission excitatrice (glutamate) au niveau de la corne dorsale de la moelle épinière des animaux, expliquant ainsi son effet antalgique. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux mécanismes supraspinaux impliqués dans la neuropathie chronique induite par l’oxaliplatine, à l’aide d’une approche métabolomique par 1 H-RMN HRMAS. Cette étude a révélé d’importantes modifications métaboliques cérébrales chez les animaux traités par oxaliplatine, notamment une augmentation de la choline dans le cortex insulaire postérieur corrélée de manière significative aux seuils douloureux. Une analyse transcriptomique et pharmacologique a permis de mettre en évidence une implication de la neurotransmission cholinergique dans cette structure. Le ciblage pharmacologique de cette neurotransmission pourrait représenter une stratégie potentiellement intéressante pour le développement de nouveaux traitements antalgiques. L’ensemble de ces résultats expérimentaux a permis l’identification de nouvelles pistes pour la compréhension et le traitement des douleurs neuropathiques chimio-induites. Dans une perspective de recherche translationnelle, ces deux approches précliniques sont en cours de transposition dans des protocoles de recherche clinique. Un essai clinique de phase II (NEUROXAPOL, NCT01775449) a débuté afin de confirmer l’intérêt d’un régime appauvri en polyamines chez des patients recevant une chimiothérapie à base d’oxaliplatine. Une seconde étude clinique (INSULOX) est actuellement en cours de préparation au CHU de Clermont-Ferrand afin de mesurer par IRM les concentrations en choline dans l’insula de patients souffrant de douleurs neuropathiques induites par oxaliplatine. / Oxaliplatin, an anticancer drug used for the treatment of colorectal cancer, is responsible for a dose-limiting peripheral neurotoxicity in the majority of treated patients. This neurotoxicity appears with two components: a rapid-onset acute neurotoxicity manifesting as transient paresthesias and cold-induced dysesthesias; and a late-onset cumulative neurotoxicity characterized by the development of a painful chronic neuropathy. To date, the management of chemotherapy- induced neuropathic pain is still challenging because of the lack of effective treatments. In this context, a better understanding of the pathophysiological mechanisms underlying this neurotoxicity could lead to the identification of new therapeutic targets. Firstly, we aimed to assess the preventive effect of a polyamine deficient diet on the development of oxaliplatin-induced acute neurotoxicity. Exogenous polyamines, by positively modulating spinal NR2B-containing NMDA receptors, could facilitate pain sensitization. This study has shown that a polyamine deficient diet for 7 days totally prevented oxaliplatin-induced acute cold and mechanical hypersensitivity in rats. Although we observed no change in spinal NR2B expression or phosphorylation, intrathecal ifenprodil (a specific NR2B antagonist) reduced oxaliplatin-induced allodynia in a dose-dependent manner. Finally, proton NMR spectroscopy- based metabolomic analysis has revealed a regulation of spinal glutamate neurotransmission as the most likely mechanism underlying the preventive effect of the diet. Secondly, the metabolic variations associated with oxaliplatin-induced chronic neuropathy were assessed at the supraspinal level using a 1 H-NMR HRMAS-based metabolomic approach. Among the neurochemical changes evidenced in this study, we observed a significant increase in choline within the posterior insular cortex, significantly correlated with the mechanical pain thresholds. A transcriptomic and pharmacological approach have revealed an implication of cholinergic neurotransmission in this brain area. Targeting the cholinergic system using centrally active muscarinic agents could represent an interesting strategy for the treatment of oxaliplatin- induced neuropathic pain. These experimental results led to the identification of new molecular targets for the comprehension and the treatment of chemotherapy-associated painful neuropathy. In a translational approach, these preclinical data will be extended to the clinical setting. A phase II clinical trial (NEUROXAPOL, NCT01775449) is undergoing to confirm the therapeutic interest of a polyamine free diet in patients receiving oxaliplatin. A second clinical project (INSULOX) aiming at assessing the choline concentrations in the insula of patients suffering from oxaliplatin-induced neuropathy is in preparation.

Les neurones endommagés développent de l'activité ectopique, c'est-à-dire qu'ils déchargent en l'absence de stimulus, ce qui engendre ensuite des douleurs neuropathiques. Des mesures expérimentales ont lié cette activité ectopique à un décalage cinétique (coupled left-shift, CLS) des canaux sodiques tensiodépendants. Nous avons donc construit un modèle numérique d'axone où une portion endommagée subit un tel décalage. Deux résultats fondamentaux et nouveaux sont obtenus : 1) En présence d'activité ectopique, une stimulation à haute fréquence peut entraîner la zone ectopique de l'axone à décharger à la même fréquence que le stimulus. La propagation est alors presque normale. 2) Dans un axone faiblement endommagé, sans activité ectopique au départ, un stimulus temporaire peut déclencher une activité ectopique qui perdure. Ceci amplifie le stimulus et peut donc être lié aux symptômes de douleurs neuropathiques. En plus de ces travaux de recherche, cette thèse propose une imposante section pédagogique, adressé au physicien qui débute en neurosciences. Injured neurons exhibit ectopic activity (ie. they fire without being stimulated), leading to neuropathic pain. Experiments have linked this ectopic activity to a kinetic shift (coupled left-shift, CLS) of the voltage-gated sodium channels. Therefore, we have designed a computational model axon where a damaged zone is affected by such a left-shift. Two important novel results were obtained : 1) In an ectopic axon, high-frequency stimulation can force the ectopic zone to phase-lock to the stimulation frequency. Propagation is then almost normal. 2) In a weakly damaged axon, without initial ectopic activity, a short stimulus can trigger a long lasting ectopic activity. This amplifies the stimulus and can thus be linked to neuropathic pain-like symptoms. In addition to this research work, this thesis encompasses a large educational section, addressed to physicists just starting in neuroscience.

La douleur neuropathique centrale est une séquelle fréquente après une atteinte du système nerveux centrale. L’impact négatif de ces douleurs sur la qualité de vie des patients ainsi que l’efficacité modérée (40% de répondeurs) des traitements de 1ère intention font de la recherche de thérapies alternatives un enjeu clinique majeur. Depuis plusieurs années, la technique de stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est présentée comme un outil intéressant pour soulager ce type de douleur sans pour autant que son efficacité clinique n’ait été clairement démontrée. Ce travail de thèse s’attache donc à investiguer l’efficacité de la rTMS pour traiter les douleurs neuropathiques centrales. Nous avons dans un premier temps mis en évidence, dans une étude observationnelle, qu’un minimum de 4-5 séances sur deux mois de rTMS à 20HZ sur le cortex moteur primaire (M1) produit un soulagement de la douleur pouvant se maintenir même après une année de stimulation. Afin d’écarter un possible effet placebo, nous avons objectivé l’efficacité antalgique en répliquant ce protocole dans une étude clinique randomisée, contrôlée, en groupes croisés. Les résultats obtenus confirment ceux de l’étude observationnelle puisque que l’effet antalgique de la rTMS active était significativement supérieure à la stimulation placebo pour le critère principal (% de soulagement, +33%) ou l’intensité douloureuse (EVA, -19%), avec 47% de répondeurs. Pour les patients non-répondeurs à la stimulation de M1, nous avons également testé contre placebo, dans une étude randomisée, l’efficacité d’une cible alternative : le cortex somesthésique secondaire (S2). Aucun des patients n’a été soulagé par cette stimulation mais le faible effectif de cette étude ne nous permet pas de conclure définitivement à l’absence d’effet antalgique. Enfin, compte tenu de l’utilisation croissante de nouvelles cibles corticales plus profondes, nous avons à partir de l’enregistrement du champ-magnétique produit par la rTMS dans différents milieux (l’air et modèle ex-vivo), proposé un modèle de distribution de ce champ selon la profondeur de la cible et le type de sonde de stimulation utilisé. Pour conclure, ces travaux objectivent l’effet antalgique de 4 séances de rTMS à 20Hz de M1 sur les douleurs neuropathiques centrales, validant ainsi son utilisation lorsque les traitements de 1ère intention ont échoué. Les résultats obtenus par la stimulation de S2 ainsi que par la modélisation du champ magnétique doivent permettre à de futures études d’explorer de nouvelles cibles corticales pour les patients qui restent encore en échec de traitement. / Central neuropathic pain is a common sequelae after central nervous system injury. Its negative consequences on the quality of life and the moderate efficacy (40% of responders) of first-line treatments make the search for alternative therapies a major clinical challenge. For several years, the technique of repeated transcranial magnetic stimulation (rTMS) is presented as an interesting tool to relieve this sort of pain even though its clinical efficacy has not been clearly demonstrated. The aim of this thesis was to investigate the effectiveness of rTMS to relieve central neuropathic pain.We first demonstrated, in an observational study, that a minimum of 4-5 sessions over two months of rTMS at 20HZ on the primary motor cortex (M1) produces pain relief that can be maintained even after a year of stimulation. In order to rule out a possible placebo effect, we objectified the analgesic efficacy by replicating this protocol in a randomized, controlled, cross-over clinical study. The results obtained confirm those of the observational study since the analgesic effect of the active rTMS was significantly greater than the placebo stimulation for the main criterion (% of pain relief, +33%) or pain intensity (VAS, -19%), with 47% of responders. For patients who did not respond to M1 stimulation, we also tested the efficacy of an alternative target in a randomized study: the secondary somatosensory cortex (S2). None of the patients were relieved by this stimulation, but the small size of this study does not allow us to definitively conclude that there is no analgesic effect. Finally, given the increasing use of new deeper cortical targets in rTMS for pain treatment, we have from the recording of the magnetic field produced by the rTMS in different media (air and ex-vivo model), proposed a magnetic-field distribution model according to the depth of the target and the type of stimulation coils used.To conclude, this work objectify the analgesic effect of 4 rTMS sessions at 20 Hz of M1 to relieve central neuropathic pain, validating its use when first-line treatments have failed. The results obtained by S2 stimulation as well as magnetic field modeling should allow future studies to explore new cortical targets for patients who are still failing treatment