Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA) sont des récepteurs ionotropiques du glutamate jouant un rôle clé dans la plasticité synaptique et les fonctions cognitives. En conséquence, la perturbation de leur activité est impliquée dans de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques tels que l'épilepsie et la schizophrénie. La particularité de ces récepteurs est qu'ils nécessitent pour être activés la liaison simultanée de leur agoniste, le glutamate, et d'un co-agoniste. La glycine fut le premier co-agoniste identifié mais plus récemment, de nombreuses études ont révélé que la D-sérine joue également ce rôle dans de nombreuses régions cérébrales, notamment dans l'hippocampe. Toutefois il restait à définir si les fonctions de ces deux co-agonistes étaient régulées au cours du développement ou si elles étaient spécifiques à certaines synapses. Dans la première partie de mon travail, j'ai montré que la D-sérine est le co-agoniste préférentiel des synapses SC-CA1 matures alors que la glycine est le co-agoniste préférentiel des synapses mPP-DG. De plus, le remplacement des récepteurs NMDA composés de sous-unités GluN2B par des récepteurs contenant GluN2A au cours du développement post-natal survient au même moment qu'un changement dans l'identité du co-agoniste préférentiel des synapses SC-CA1. Dans la seconde partie de mon travail, je me suis intéressée à la contribution de la D-sérine en conditions pathologiques sur un modèle murin d'épilepsie chimio-induite par la pilocarpine. J'ai ainsi montré l'implication de la D-sérine dans l'activité épileptique initiée par la pilocarpine. / N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are glutamate-gated ionotropic receptors which play a crucial role in synaptic plasticity and cognitive functions. As a consequence, disturbance in their activity is correlated with a broad range of neurological and psychiatric disorders including epilepsy and schizophrenia. The major particularity of NMDA receptors is the requirement of simultaneous binding of their agonist, glutamate, and a co-agonist to be activated. Glycine was the first co-agonist identified but more recently several studies showed that D-serine is also playing this role in many brain areas including the hippocampus. Whether the identity of the co-agonist is synapse specific or developmentally regulated remains unexplored. In the first part of my work I showed that D-serine is the preferred co-agonist at SC-CA1 mature synapses while glycine is the preferred one at mPP-DG synapse. Moreover, we showed that during postnatal development, the replacement of GluN2B by GluN2A-containing NMDA receptors at SC-CA1 synapses parallels a change in the co-agonist identity from glycine to D-serine. In the second part of my work I investigated the contribution of D-serine in pathological conditions. By using a model of acute intoxication of pilocarpine, I demonstrated that D-serine is implicated in epileptiform activity initiated after pilocarpine perfusion.

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.

L’objectif de ma thèse était d’identifier, comme agents antinociceptifs potentiels, des toxines de venins originales par leur séquence et/ou leur provenance. Dans cette optique, un criblage à haut débit de deux banques de venins a été réalisé par des méthodes électrophysiologiques de "patch-clamp" automatique, sur des lignées cellulaires exprimant le sous-type neuronal hNaV1.7 de canaux sodium (versus celles exprimant le sous-type cardiaque hNaV1.5), une cible antidouleur validée génétiquement et fortement exprimée au niveau des neurones sensoriels primaires des ganglions de la racine dorsale, premier support de la transmission du message nociceptif.Le criblage de la première banque de venins (appartenant à Smartox Biotechnology) a permis l’identification et la caractérisation, par des approches structurales et fonctionnelles multi-échelles (de la cellule in vitro à l’organisme in vivo), de 2 peptides de venins d’araignées ayant des propriétés potentiellement antinociceptives : (1) la cyriotoxine-1a du venin de Cyriopagopus schioedtei, dont les propriétés fonctionnelles sont proches de celles des peptides appartenant à la famille 1 des toxines d’araignées inhibant les canaux sodium, et (2) la poecitoxine-1a du venin de Poecilotheria subfusca, qui présente une meilleure affinité pour le sous-type hCaV1.2 de canaux calcium que pour le sous-type hNaV1.7. Nous avons également mené une étude de "structure-activité" afin d’améliorer le profil de sélectivité de la phlotoxine-1 d’une araignée Phlogiellus, connue pour son activité antinocieptive. Finalement, nous avons mis en évidence une interaction directe entre l’huwentoxine-IV, déjà connue comme agent antinociceptif potentiel, et le sous-type neuronal NaV1.6, responsable d’effets neuromusculaires indésirables. Le criblage de la deuxième banque de venins (appartenant à SANOFI) a permis d’identifier des hits intéressants provenant de venins d’araignées et de scorpions non étudiés jusqu’à présent et ayant une séquence originale présentant peu d’homologie avec les séquences déjà connues. / The aim of my thesis was to identify original venom toxins, by their sequence and/or origin, as potential antinociceptive agents. In this context, a high-throughput screening of two venom libraries was performed, by automated patch-clamp electrophysiology, on cell lines expressing the hNaV1.7 neuronal subtype of sodium channels (versus those expressing the hNaV1.5 cardiac subtype), a genetically-validated and strongly expressed pain target in the primary sensory neurons of dorsal root ganglia, the first support of nociceptive message transmission.The screening of the first venom library (belonging to Smartox Biotechnology) allowed the identification and characterization, by structural and multiscale functional approaches (from the cell in vitro to the organism in vivo), of 2 peptides from spider venoms having potential antinociceptive properties : (1) cyriotoxin-1a from Cyriopagopus schioedtei venom, whose functional properties are close to those of peptides belonging to family 1 of spider toxins inhibiting sodium channels, and (2) poecitoxin-1a from Poecilotheria subfusca venom, which has a better affinity for the hCaV1.2 subtype of calcium channels than for the hNaV1.7 subtype. We also conducted a "structure-activity" study to improve the selectivity profile of phlotoxin-1 from a Phlogiellus spider, known for its antinociceptive activity. Finally, we evidenced a direct interaction between huwentoxin-IV, already known as a potential antinociceptive agent, and the NaV1.6 neuronal subtype which is the main cause of undesirable neuromuscular effects. The screening of the second venom library (belonging to SANOFI) allowed to identify interesting hits from spider and scorpion venoms, not studied until now, having an original sequence with little homology with already known sequences.

Les états de veille sont composés d’états cérébraux distincts, corrélés avec différents comportements et caractérisés par des oscillations spécifiques observables dans le potentiel de champ local (Local Field Potential, LFP). Bien que les différents états cérébraux et leur signature dans le LFP aient été caractérisés, les mécanismes cellulaires sous-jacents restent à ce jour peu connus. Des changements des propriétés de neurones uniques seraient corrélés avec, et pourraient participer à la génération de ces changements d’états cérébraux. L’activité coordonnée et synchronisée de neurones facilite certains processus cognitifs tels que la mémoire. L’hippocampe joue un rôle essentiel dans les mémoires spatiale et épisodique, et dans l’hippocampe, CA3 est important pour la formation d’associations facilitant l’encodage rapide de la mémoire. De plus, les informations provenant du cortex entorhinal, du gyrus denté, et de CA3 même sont comparées et intégrées dans CA3 avant d’être transmises à CA1. Lors de périodes de repos, le LFP hippocampique présente une activité large et irrégulière (Large Irregular Activity, LIA), ponctuée par des oscillations plus rapides, les sharp-wave ripples, jouant un rôle dans la consolidation de la mémoire. Lors de périodes exploratoires, le LFP hippocampique oscille aux fréquences theta (6-12 Hz) et gamma (30-100 Hz). Les cellules pyramidales (CP) de CA3 jouent un rôle important dans chacun de ces états ; elles sont nécessaires pour les sharp wave lors de périodes de repos, et les oscillations gamma lors de comportements exploratoires. Dans le but d’étudier les modulations intracellulaires des CP de CA3, nous avons réalisé des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule entière chez l’animal éveillé. Nous avons associé ces enregistrements avec des mesures du diamètre pupillaire et de la vitesse de locomotion de l’animal, ainsi qu’avec l’enregistrement de l’activité oscillatoire du LFP dans l’hippocampe. Nos résultats montrent que certaines CP de CA3 sont sensibles à la modulation intracellulaire lors de différents rythmes hippocampiques, et ont tendance à diminuer leur potentiel de membrane moyen, leur excitabilité, leur variance et leur décharge de potentiel d’action lors des oscillations theta par rapport aux périodes de LIA. De futures études permettront de déterminer si ces changements sont dus à des changements d’entrées synaptiques et/ou de neuromodulateurs. Ces modulations pourraient jouer un rôle dans l’émergence des rythmes oscillatoires du LFP, et permettre à CA3 de réaliser différentes fonctions mnésiques à différents moments. / Wakefulness is comprised of distinct brain states, correlated with different behaviors and characterized by specific oscillatory patterns in the local field potential (LFP). While much work has characterized different brain states and their LFP signatures, the underlying cellular mechanisms are less known. Changes in single cell properties are thought to correlate with and possibly result in these changes in brain state. Synchronized and coordinated activity among distributed neurons supports cognitive processes such as memory. The hippocampus is essential for spatial and episodic memory, and within the hippocampus, area CA3 is important for rapid encoding of one-trial memory. Additionally, CA3 is the site where information from the entorhinal cortex, dentate gyrus, and CA3 itself is compared and integrated before output to CA1. During quiet wakefulness, the hippocampal LFP displays large irregular activity (LIA) punctuated by sharp-wave ripples, which play a role in memory consolidation. During exploratory behaviors, hippocampal LFP oscillates at both theta and gamma frequencies. CA3 pyramidal cells (PCs) play an important role in each of these brain states; they are necessary for both sharp waves during quiet wakefulness and for gamma oscillations during exploratory behavior. We explored the changes that occur in the intracellular dynamics of CA3 PCs during changes in brain state, by using whole-cell patch-clamp recordings from CA3 PCs in awake head-fixed mice. We combined those recordings with measurements of pupil diameter, treadmill running speed and LFP recordings of oscillatory activity. Our findings show that some CA3 PCs are prone to intracellular modulation during brain rhythms, and tend to decrease their average membrane potential, excitability, variance and output firing during theta as compared to LIA. Future studies will demonstrate whether these effects are due to changes in synaptic and/or neuromodulatory inputs. This modulation at the single-cell level in CA3 could play a role in the emergence of oscillations, and underlie the ability of CA3 to perform different memory functions during different brain states.

L’amygdale est une structure du système nerveux central impliquée dans l’intégration des émotions comme la peur et l’anxiété. Des études ont également montré que l’amygdale peut moduler de façon positive ou négative la douleur par le biais des projections de son noyau de sortie, le noyau central de l’amygdale (CeA), sur les structures impliquées dans les contrôles nociceptifs descendants. Le complexe basolatéral de l’amygdale (BLA), placé en amont du noyau central, est intimement connecté à ce dernier et peut ainsi réguler son fonctionnement. Les données obtenues au cours de ma thèse ont montré l’existence d’un contrôle tonique amygdalien de la nociception et de la douleur, directement dépendant de l’équilibre entre l’excitation et l’inhibition au sein de la structure. Ainsi la modulation de l’une ou l’autre des neurotransmission influence directement la sortie douloureuse, chez des animaux sains ou neuropathiques. Par ailleurs, nous nous sommes également intéressés à l’étude précise du mode d’action d’une molécule anxiolytique non benzodiazépinique, l’étifoxine (EFX), et à son effet sur le comportement douloureux. Les résultats des injections d’EFX dans le BLA indiquent qu’elle induit une action analgésique chez les animaux neuropathiques, mais ne modifie pas les seuils de sensibilité des animaux sains. Cette action analgésique est dépendante de l’effet indirect neurostéroïdogène de l’EFX. Ceci, associé au fait que l’EFX ne présente pas ou peu d’effets secondaires, en fait une molécule particulièrement intéressante pour un traitement alternatif des douleurs neuropathiques. Dans une dernière partie, nous avons cherché à observer les mécanismes en jeu au niveau cellulaire lorsque l’EFX est appliquée sur les neurones du BLA. Ainsi, nous avons montré que l’EFX potentialise l’inhibition au sein de la structure, via trois mécanismes indépendants ; l’augmentation de la fréquence des courants post-synaptiques inhibiteurs miniatures (mCPSIs), l’augmentation de leur amplitude, et l’augmentation de leur constante de déactivation. Ces deux derniers effets sont dépendants de l’action neurostéroïdogène de l’EFX, tandis que l’effet sur la fréquence des mCPSIs est du à l’action de l’EFX sur le récepteur GABAA. Les résultats de ma thèse ont ainsi permis de montrer l’existence d’un contrôle tonique amygdalien de la douleur, dans le cadre d’animaux neuropathiques, mais également de la nociception, chez des animaux sains. Par ailleurs, la place du complexe basolatéral de l’amygdale, souvent peu prise en compte dans les études sur la douleur, a été redéfinie. Ce complexe doit être pris en considération dans le circuit de la douleur et son rôle de pilote du noyau central de l’amygdale ne doit pas être négligé. / The amygdala is a major control center of the emotions, but also integrates sensory, especially nociceptive information. Cortical afferents to the amygdala largely target its basolateral complex. The basolateral amygdala (BLA) then projects to the central amygdala nucleus, which in turn projects densely to the periaqueductal gray and thus can drive a behavioural output via the spinal cord. Data obtained during my thesis have shown that the balance between excitation and inhibition in the BLA triggers an tonic control of pain. Therefore modulating one of the neurotransmission directly influences the pain threshold of control or nociceptive mice. My thesis work also focused on the functioning of an anxiolytic and non benzodiazepinic drug ; Etifoxin (EFX). This molecule as a positive modulator of GABAA receptors and indirectly by increasing the synthesis of neurosteroids, also known as strong modulator of these receptors. In our team, we already showed that EFX has anti-nociceptive effects when injected intraperitonealy in rats. Here we wanted to determine the action of EFX on pain descending control drive by BLA. We showed that EFX infusion in the BLA seems to be anti-nociceptive, inducing a recover of the pre-cuff mechanical threshold level. We also used a patch-clamp approach to study directly in vitro the modulation of the inhibitory synaptic transmission produced by EFX. We showed that EFX potentiate the inhibition in BLA neurons via different and complementary mechanisms. These potentiating effects are mostly dependent of a neurosteroidogenesis increase.

La connaissance des mécanismes physiologiques de la perception sensorielle nécessite la compréhension de la manière dont le système nerveux central récolte et traite le flux de stimuli sensoriels qui le bombardent en permanence. Il est essentiel de caractériser de manière précise : 1) les stratégies d'exploration qu'utilise le rat pour positionner ses vibrisses par rapport à son environnement et 2) la manière dont ces organes senseurs produisent et transmettent un signal mécanique pertinent pour les mécanorécepteurs situés à la base de la vibrisse. Dans une première partie, nous avons trouvé que l'amplitude du whisking chez le rat en comportement décroit avec la vitesse de locomotion, tandis que les vibrisses sont globalement plus protractées quand l'animal court plus vite. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons validé un modèle de transduction mécanique en comparant des prédictions théoriques avec des mesures expérimentales de déformations vibrissales. Ainsi nous avons pu décrire des événements dynamiques rapides ayant lieu après un choc sur un objet, ainsi que la propagation de ces ondes de déformation le long de la vibrisse jusqu'au follicule. D'autre part nous avons mis en évidence, suite à la stimulation d'une vibrisse, des mouvements d'une adjacente. Dans la dernière partie, nous avons mesuré et caractérisé les oscillations rapides induites par le glissement de la vibrisse sur une texture de topographie contrôlée. Nous avons rejoué ces déformations vibrissales en enregistrant concomitamment l'activité neuronale dans le cortex somatosensoriel. Nous avons montré qu'il existe une corrélation entre l'enveloppe de ces oscillations rapides et la réponse corticale.

No description available.

Dans le cerveau, les fonctions de la phosphatase alcaline non spécifique des tissus (TNAP) ne sont pas clairement identifiées. La localisation et l'expression de cette enzyme au niveau neuronal suggère cependant, qu'elle joue un rôle important dans le développement et le fonctionnement du cerveau. Cela est supporté par la présence de graves crises d'épilepsie chez les humains porteurs d'une mutation de la TNAP. Ces crises d'épilepsie sont létales chez les souris KO pour la TNAP. Des études chez la souris montrent que la TNAP pourrait réguler l'inhibition postsynaptique médiée par le GABA et elle pourrait être impliquée dans l'inhibition présynaptique médiée par l'adénosine. L'adénosine est, en partie, synthétisée via la déphosphorylation successive de l'ATP en ADP puis en AMP par des ectonucléotidases. Parmi elles, la TNAP et l'ecto- 5'-nucléotidase (NT5E) catalysent l'hydrolyse de l'AMP en adénosine dans le cortex cérébral. L'adénosine agit principalement au niveau présynaptique par l'intermédiaire des récepteurs A1. Ainsi l'adénosine a une influence sur la transmission synaptique et sur la plasticité synaptique. Ceci pourrait expliquer, en partie, les crises d'épilepsie observées chez les souris KO pour la TNAP. Les deux objectifs principaux de ma thèse ont été : (1) évaluer la contribution de la TNAP dans la production d'adénosine dans le cerveau ; (2) étudier l'influence de l'adénosine sur la plasticité synaptique. Premièrement, l'étude de la contribution de la TNAP dans la production d'adénosine dans le cerveau a été réalisée au moyen de deux approches complémentaires. Une approche métabolomique (spectroscopie RMN du proton) sur des cerveaux entiers de souris KO pour la TNAP a permis de montrer que la TNAP participe, entre autre, à la synthèse d'adénosine dans le cerveau. Une deuxième approche, électrophysiologique sur tranches de cerveaux de souris in vitro, nous permet d'examiner les conséquences de l'inhibition des ectonucléotidases intervenant dans la synthèse de l'adénosine. Elle a révélé que l'inhibition des ectonucléotidases (TNAP et NT5E) ne supprime pas l'effet inhibiteur de l'AMP médiée par les récepteurs A1. Deuxièmement, nous avons étudié l'influence de l'adénosine sur la plasticité synaptique à courte terme. Nous avons enregistré des potentiels de champs dans la couche Ia du cortex piriforme en réponse à des stimulations électriques (3,125 à 100 Hz) présentée avec des fréquences recouvrant la gamme d'oscillations physiologiques. Nos résultats montrent qu'avec de fortes concentrations d'adénosine, la facilitation est accentuée par rapport à celle observée en situation contrôle. Cet effet est observé pour des fréquences supérieures ou égales à 25 Hz. De plus, cette accentuation est d'autant plus grande que la fréquence est élevée (maximum atteint à 100 Hz pour 100 µM). En bloquant l'action de l'adénosine endogène, l'effet contraire est observé : une facilitation déficitaire par rapport au contrôle et dont le défaut est croissant avec la fréquence de stimulation. Tous ces résultats convergent vers l'hypothèse qu'une déficience en TNAP, traduite par une absence d'adénosine, pourrait contribuer au maintien des processus épileptiques générés par un déséquilibre de l'inhibition et de l'excitation dû à une diminution de GABA. L'effet inhibiteur de l'AMP médié par les récepteurs A1 ne serait pas suffisant pour contrecarrer les crises d'épilepsie observées chez les sujets hypophosphatasiques et les souris KO pour la TNAP. / The functions of Tissue Nonspecific Alkaline Phosphatase (TNAP) in the brain are not clearly identified. The localization and expression of TNAP at the neuronal level, however, suggests that it plays a prominent role in the development and the function in the brain. This is supported by the presence of severe epileptic seizures in humans carrying TNAP mutation. These epileptic seizures are lethal in TNAP KO mice. Studies in mice show that TNAP could regulate GABA-mediated postsynaptic inhibition and may be involved in presynaptic inhibition mediated by adenosine. Adenosine is, partly, synthesized via the successive dephosphorylation of ATP to ADP and then to AMP by ectonucleotidases. Among them TNAP and ecto-5'-nucleotidase (NT5E) are able to hydrolyze AMP into adenosine. Adenosine acts mainly at the presynaptic level via A1 receptors activation. Adenosine has an influence on synaptic transmission and thus on synaptic plasticity. This could partly explain the epileptic seizures observed in TNAP knock-out mice. The two main purposes of my thesis were: (1) to evaluate the contribution of TNAP in adenosine production in the brain; (2) to study the influence of adenosine on synaptic plasticity. Firstly, the study of the contribution of TNAP in adenosine production in the brain was carried out using two complementary approaches. A metabolomic approach (proton NMR spectroscopy) on whole brains of TNAP KO mice showed that TNAP in involved in adenosine synthesis in the brain. In a second approach, in vitro electrophysiological recordings on mouse brain slices allowed us to examine the consequences of the inhibition of the ectonucleotidases involved in adenosine synthesis. This revealed that inhibition of ectonucleotidases (TNAP and NT5E) did not suppress the inhibitory effect of AMP mediated by A1 receptors. Secondly, we studied the influence of adenosine on short-term synaptic plasticity. Field potentials were recorded in response to electrical stimulations (3.125 to 100 Hz) applied with frequencies encompassing the range of physiological oscillation. Our results show that, with high adenosine concentrations, the facilitation is emphasized compared to that observed in the control situation. This effect is observed for frequencies greater than or equal to 25 Hz. In addition, the higher the frequency, the greater the facilitation. Finally, by blocking the action of endogenous adenosine, the opposite effect was observed: a deficient facilitation with respect to the control, whose defect was increasing with stimulation frequency. All these results converge towards the hypothesis that TNAP deficiency, expressed by absence of adenosine, could contribute to the maintenance of the epileptic processes generated by an imbalance of the neuronal inhibition and the excitation due to a decrease of GABA. AMP inhibitory effect mediated by A1 receptors, would not be sufficient to counteract epileptic seizures observed in hypophosphatasic patients and TNAP KO mice.

Les vibrisses ou moustaches, sont représentées de façon très précise au niveau cortical. Cette représentation forme une carte qui peut varier selon l’expérience ou l’apprentissage. La plasticité corticale est parfois altérée dans des maladies. C’est le cas du syndrome de l’X-fragile où la protéine FMRP n’est plus produite. Notre hypothèse est double : 1- La plasticité opérant dans le cortex somato-sensoriel primaire lors d’un conditionnement associatif est primordiale pour l’apprentissage. 2- FMRP peut perturber cette plasticité et altérer l’acquisition de la mémoire. Mon travail de thèse s’est déroulé sous la direction du Dr Ingrid Bureau, dans l’Institut de neurobiologie de la Méditerranée UMR901, laboratoire de l’INSERM, sur le campus universitaire de Luminy (Aix-Marseille Université).Après un protocole de conditionnement, les souris ayant appris l’association présentent des réorganisations de la carte corticale sélective manifestées par une surreprésentation des vibrisses appariées au dépend des vibrisses voisines.L’étude a ensuite montré que déjà en condition naïve l’excitabilité des neurones glutamatergiques de la couche 4 est plus importante que chez les souris mutantes, dans lequel la synthèse de FMRP n’est inactivée que dans la couche 4 du cortex somato-sensoriel. Ceci est couplé à une baisse de la probabilité de libération de neurotransmetteur et une baisse de connectivité. Les cartes corticales sauvages et mutantes en condition naïve sont donc en apparence similaires. Après altération de l’expérience sensorielle, nous avons observé une forte augmentation de la force des projections ascendantes de la couche 4 vers la couche 2/3 chez les individus mutants / Whiskers representation is well defined at cortical level. This representation designs a map which can be modified with sensory experiece or learning. Cortical plasticity is sometime affected by diseases such as the fragile-X syndrome where protein FMRP is lacking. Two hypothesis : 1- Plasticity in primary somatosensory cortex play a major role in learning. 2- FMRP can disturb that plasticity and so memory acquisition.After playing an associtiative conditionning protocol, some mice learn the association and cortical map changes in a selective way with a gain of representation for the paired whiskers vs whiskers in neighbourghood.We’ve after shown that in naive conditions, layer 4 glutamatergic neurons present an increase of excitability in mutant mice, in which FMRP synthesis is inactivated only in layer 4 of somatosensory cortex. This phenotype comes with a decrease in neurotransmetor release probability and a decrease in connectivity. This way, WT and mutant cortical maps appear similar in naive conditions. But after sensory alteration we’ve seen a huge increase in strenght of ascending projections from layer 4 to layer 2/3 in mutants. We don’t know yet how to explain thoose deregulations.

A l’heure actuelle, une des principales questions des neurosciences comportementales est de comprendre les bases neurales des apprentissages et de comprendre comment des modifications au sein de circuits neuronaux spécifiques contrôlent les changements comportementaux liés à une expérience particulière. De nombreuses études ont récemment mis en évidence le rôle important des circuits neuronaux dans les phénomènes d’apprentissages associatifs, et notamment dans la régulation des comportements de peur. Cependant, leurs caractéristiques anatomiques et fonctionnelles restent encore largement inconnues. L’une des principales fonctions des circuits neuronaux est leur capacité à adapter le comportement en fonction de la nature des informations internes ou environnementales disponibles. Malgré de nombreux progrès réalisés sur la compréhension des substrats et mécanismes neuronaux sous tendant le conditionnement de peur au sein de structures telles que l'amygdale (AMG), le cortex préfrontal dorso-médian (dmPFC) et la substance grise periaqueducale (PAG), les mécanismes neuronaux gouvernant les interactions inter-structure ainsi que le contrôle local de ces différents circuits neuronaux restent encore largement inconnus. Dans ce contexte, ce travail de thèse a eupour objectifs principaux, d’évaluer la contribution des voies de projections dmPFC-BLA et dmPFC-vlPAG dans la régulation des comportements de peur, et, d’identifier les mécanismes neuronaux sous-jacent contrôlant l'expression de la peur. Afin de répondre à ces questions, nous avons utilisé conjointement des enregistrements électrophysiologiques unitaires et de potentiels de champs couplés à des approches optogénétiques au cours de l’expression de la peur conditionnée. Nous avons pu mettre en évidence un nouveau mécanisme neuronal basé sur une oscillation cérébrale à 4 Hz entre le dmPFC et le BLA impliqué dans la synchronisation neuronale des neurones de ces deux structures nécessaire à l’expression de la peur. Nous avons aussi démontré que le dmPFC via ses projections sur le vlPAG contrôle directement l’expression de la peur. Ensemble, nos données contribuent à une meilleure compréhension des circuits neuronaux ainsi que des mécanismes du comportement de peur qui dans le futur pourront aider à une amélioration thérapeutique des troubles anxieux. / A central endeavour of modern neuroscience is to understand the neural basis of learningand how the selection of dedicated circuits modulates experience-dependent changes inbehaviour. Decades of research allowed a global understanding of the computations occurring inhard-wired networks during associative learning, in particular fear behaviour. However, brainfunctions are not only derived from hard-wired circuits, but also depend on modulation of circuitfunction. It is therefore realistic to consider that brain areas contain multiple potential circuitswhich selection is based on environmental context and internal state. Whereas the role of entirebrain areas such as the amygdala (AMG), the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) or theperiaqueductal grey matter (PAG) in fear behaviour is reasonably well understood at themolecular and synaptic levels, there is a big gap in our knowledge of how fear behaviour iscontrolled at the level of defined circuits within these brain areas. More particularly, whereas thedmPFC densely project to both the basolateral amygdala (BLA) and PAG, the contributions ofthese two projections pathway during fear behaviour are largely unknown. Beside theinvolvement of these neuronal pathways in the transmission of fear related-information, theneuronal mechanisms involved in the encoding of fear behaviour within these pathways are alsovirtually unknown. In this context, the present thesis work had two main objectives. First,evaluate the contribution of the dmPFC-BLA and dmPFC-vlPAG pathways in the regulation offear behaviour, and second, identify the neuronal mechanisms controlling fear expression in thesecircuits. To achieve these goals, we used a combination of single unit and local field potentialrecordings coupled to optogenetic approaches in behaving animals submitted to a discriminativefear conditioning paradigm. Our results first, identified a novel neuronal mechanism of fear expression based on the development of 4 H oscillations within dmPFC-BLA circuits thatdetermine the dynamics of freezing behaviour and allows the long-range synchronization offiring activities to drive fear behaviour. Secondly, our results identified the precise circuitry at thelevel of the dmPFC and vlPAG that causally regulate fear behaviour. Together these data provideimportant insights into the neuronal circuits and mechanisms of fear behaviour. Ultimately thesefindings will eventually lead to a refinement of actual therapeutic strategies for pathological conditions such as anxiety disorders.