Etat des lieux : Les souris Tg2576, modèles de la maladie d'Alzheimer (MA), développent avec l'âge des troubles mnésiques, qui peuvent être réduits par l'exposition précoce à des conditions de vie cognitivement stimulantes, dite enrichissement environnemental. Hypothèse : L'effet pro-mnésique de l'enrichissement environnemental précoce provient-il d'une réduction de l'hypersynchronie neuronale, cause potentielle des troubles mnésiques chez les souris modèles de la MA ? Méthodes : Nous avons mis en évidence une hypersynchronie neuronale puis étudié l'effet de l'enrichissement environnemental sur ce phénotype chez les souris Tg2576, en utilisant des méthodes pharmacologiques, électro-encéphalographiques et immunohistochimiques. Résultats - conclusion : L'hypersynchronie neuronale apparait avant les premiers troubles mnésiques chez les souris Tg2576 mais n'est pas influencée par l'enrichissement environnemental. / Alzheimer's disease (AD) is characterized by an accumulation of amyloid peptides and by a progressive memory loss. These AD features can be modeled in transgenic mouse lines that overexpress mutant forms of the amyloid precursor protein. Environmental cognitive stimulations can delay memory decline in AD patients. Our team showed that an early environmental enrichment (EE) durably improves memory performances in Tg2576 mice, a progressive model of AD. Nevertheless, the neurobiological processes underlying the maintenance of memory performances in these mice remain unknown. EE might prevent some pathological events that contribute to memory deficits in Tg2576 mice. Among them, we focused on neuronal hypersynchrony. Indeed, AD patients and related mouse models exhibit seizures and some antiepileptic treatments can improve their memory performances. In this context, the two principal aims of this work were: 1) to evidence neuronal hypersynchrony in Tg2576 mice and precise its onset relative to the onset of memory deficits in this mouse line, 2) to determine if an environmental enrichment protocol that durably improves memory performances in these mice is able to reduce neuronal hypersynchrony. To this purpose, we assessed neuronal hypersynchrony at different ages in Tg2576 males as well as in Tg2576 females housed in enriched or standard conditions. To this end, we measured seizure susceptibility to a proconvulsant agent and the frequency of spontaneous interictal spikes on electroencephalographic recordings (EEG). We also looked for a marker of chronic seizures: the expression of neuropeptide Y in mossy fibers. In this thesis, we evidenced that neuronal hypersynchrony appears as soon as 1.5 months of age in Tg2576 mice, before their first memory deficits but that environmental enrichment does not influence it. We also observed that interictal spikes preferentially occur during sleep, their rate rising to its maximum during paradoxical sleep. Finally, Tg2576 mice present an overall increase in the power of EEG oscillations between 5 and 100 Hz, which is not affected by environmental enrichment. In conclusion, my thesis work showed that neuronal hypersynchrony precedes memory decline in Tg2576 mice and that environmental enrichment would rather promote the establishment of alternative cognitive strategies than preventing some alterations of brain neuronal activity such as neuronal hypersynchrony.

La toxicité de l’uranium (U) résulte de la combinaison de ses propriétés chimiques, en tant que métal lourd, et de ses propriétés radiologiques, en tant qu’émetteur de rayonnements ionisants. L’identification de marqueurs biologiques permettant de discriminer pour un composé uranifère donné la part de sa toxicité chimique, de la part de sa toxicité radiologique, évite de sous-estimer les effets sur la santé des mélanges isotopiques ayant une faible activité spécifique et donc un faible impact en terme de dose tels que l’U appauvri en 235U. Les données de la littérature montrent que les meilleurs candidats pour répondre à cette problématique sont des marqueurs cytogénétiques. La recherche de biomarqueurs de contamination par l’U a été mise en oeuvre sur trois modèles cellulaires (fibroblastes de souris, lymphocytes de rat et humains) exposés à divers mélanges isotopiques de l’U (diverses activités spécifiques). Le test des micronoyaux (MN) avec marquage centromérique a été réalisé afin de discriminer les effets chimiotoxiques des effets radiotoxiques de l’U. Ces études révèlent que le seul dénombrement des cellules binucléées avec des MNx ne suffit pas à évaluer avec précision la génotoxicité de l’U. En revanche, les fréquences d’apparition de cellules binucléées avec des MNx centromères-négatifs ou avec un pont nucléoplasmique peuvent refléter le niveau des effets radiotoxiques de l’U. Par ailleurs, la numération des cellules binucléées avec des MNx centromères-positifs et des cellules mononuclées avec des MNx peut refléter le niveau des effets chimiotoxiques de l’U. Ces marqueurs cytogénétiques validés sur différents modèles biologiques permettent de déterminer pour un mélange isotopique donné de l’U la part des effets génotoxiques liée à sa chimiotoxicité de la part des effets génotoxiques liée à sa radiotoxicité. Ces marqueurs biologiques pourraient compléter les marqueurs classiques de dosimétrie pour évaluer les conséquences de la contamination interne à l’U. / Uranium (U) is a heavy metal that is also considered as an alpha emitter. Thus the origin of U toxicity is both chemical and radiological. The identification of biomarkers to discriminate chemical and radiological toxicity for a given U compound is required to assess accurately the health effects of isotopic mixtures such as depleted U in 235U with a low specific activity. Data from the literature show that the best candidates are cytogenetic markers. In the present work, the assessment of biomarkers of U contamination was performed on three cellular models (mouse fibroblasts, rat lymphocytes and human lymphocytes) that were exposed to different isotopic mixtures of U. The cytokinesis-block micronucleus (MN) centromere assay was performed to discriminate the chemotoxic and radiotoxic effects of U. This study showed that the evaluation of micronuclei in binucleated cells could not assess U genotoxicity accurately. Instead, the assessment of centromerenegative micronuclei and nucleoplasmic bridges correlated with the radiotoxic effects of U. The evaluation of centromere-positive micronuclei and micronuclei in mononucleated cells correlated with the chemotoxic effects of U. These cytogenetic markers should be validated on different biological models and could be proposed to discriminate radiological and chemical toxicity of a given isotopic mixture of U. These four cytogenetic markers could be a useful complement of the classical dosimetric biomarkers for the assessment of internal uranium contamination.

La toxicité de l’uranium (U) résulte de la combinaison de ses propriétés chimiques, en tant que métal lourd, et de ses propriétés radiologiques, en tant qu’émetteur de rayonnements ionisants. L’identification de marqueurs biologiques permettant de discriminer pour un composé uranifère donné la part de sa toxicité chimique, de la part de sa toxicité radiologique, évite de sous-estimer les effets sur la santé des mélanges isotopiques ayant une faible activité spécifique et donc un faible impact en terme de dose tels que l’U appauvri en 235U. Les données de la littérature montrent que les meilleurs candidats pour répondre à cette problématique sont des marqueurs cytogénétiques. La recherche de biomarqueurs de contamination par l’U a été mise en oeuvre sur trois modèles cellulaires (fibroblastes de souris, lymphocytes de rat et humains) exposés à divers mélanges isotopiques de l’U (diverses activités spécifiques). Le test des micronoyaux (MN) avec marquage centromérique a été réalisé afin de discriminer les effets chimiotoxiques des effets radiotoxiques de l’U. Ces études révèlent que le seul dénombrement des cellules binucléées avec des MNx ne suffit pas à évaluer avec précision la génotoxicité de l’U. En revanche, les fréquences d’apparition de cellules binucléées avec des MNx centromères-négatifs ou avec un pont nucléoplasmique peuvent refléter le niveau des effets radiotoxiques de l’U. Par ailleurs, la numération des cellules binucléées avec des MNx centromères-positifs et des cellules mononuclées avec des MNx peut refléter le niveau des effets chimiotoxiques de l’U. Ces marqueurs cytogénétiques validés sur différents modèles biologiques permettent de déterminer pour un mélange isotopique donné de l’U la part des effets génotoxiques liée à sa chimiotoxicité de la part des effets génotoxiques liée à sa radiotoxicité. Ces marqueurs biologiques pourraient compléter les marqueurs classiques de dosimétrie pour évaluer les conséquences de la contamination interne à l’U. / Uranium (U) is a heavy metal that is also considered as an alpha emitter. Thus the origin of U toxicity is both chemical and radiological. The identification of biomarkers to discriminate chemical and radiological toxicity for a given U compound is required to assess accurately the health effects of isotopic mixtures such as depleted U in 235U with a low specific activity. Data from the literature show that the best candidates are cytogenetic markers. In the present work, the assessment of biomarkers of U contamination was performed on three cellular models (mouse fibroblasts, rat lymphocytes and human lymphocytes) that were exposed to different isotopic mixtures of U. The cytokinesis-block micronucleus (MN) centromere assay was performed to discriminate the chemotoxic and radiotoxic effects of U. This study showed that the evaluation of micronuclei in binucleated cells could not assess U genotoxicity accurately. Instead, the assessment of centromerenegative micronuclei and nucleoplasmic bridges correlated with the radiotoxic effects of U. The evaluation of centromere-positive micronuclei and micronuclei in mononucleated cells correlated with the chemotoxic effects of U. These cytogenetic markers should be validated on different biological models and could be proposed to discriminate radiological and chemical toxicity of a given isotopic mixture of U. These four cytogenetic markers could be a useful complement of the classical dosimetric biomarkers for the assessment of internal uranium contamination.

La formation de souvenirs nécessite la mise en place de programmes génétiques dans l’hippocampe. L’activation de la transcription de gènes impliqués dans les processus de plasticité comme le bdnf s’effectue, au moins en partie, via l’acétylation des histones, mécanisme qui permet des changements de la structure de la chromatine. Nos résultats soulignent l’existence d’une régulation spécifique et différentielle de l’acétylation des histones dans l’hippocampe de rongeurs adultes en fonction du type d’information à traiter. Les acétylations des histones H2B et H4 sont spécifiques de l’apprentissage d’une tâche (MWM, CFC) alors que celle de l’histone H3 semble plus sensible au contexte environnemental. Il est par ailleurs décrit que le vieillissement ainsi que l’environnement enrichi (EE) sont des facteurs susceptibles d’induire des changements d’acétylation des histones, aboutissant respectivement à la répression et à l’activation de gènes de « mémoire ». Nos études mettent en évidence qu’un EE de 6 mois, même appliqué à des rats âgés de 18 mois qui présentent déjà des déficits mnésiques, est capable d’induire des modifications durables de la structure de la chromatine par l’intermédiaire de H3. En favorisant l’expression de gènes comme le bdnf, ces changements participent au maintien des capacités mnésiques, normalement perdues chez le Rat âgé de 24 mois. Dans l’ensemble, nos résultats soulignent l’importance des mécanismes liés aux acétylations des histones dans les processus mnésiques et indiquent que ces régulations restent modulables au cours de la vie, permettant d’envisager d’éventuelles options thérapeutiques dans des conditions de vieillissement pathologique. / Hippocampal-dependent memory formation is associated with the establishment of specific genetic programs in the rat hippocampus. This transcriptional activation of genes involved in synaptic plasticity and memory processes, like bdnf, can in part be attributable to histone acetylation-related mechanisms, allowing dynamic chromatin structure changes. Our results indicate a specific and differential regulation of histone acetylation in young rodents hippocampus depending on the nature of the stimuli. In fact, H2B and H4 acetylations are specific to rats having learnt a task (MWM, CFC), whereas H3 acetylation seems to be more sensitive to the environmental context. Besides, it is known that ageing and environmental enrichment (EE) are factors able to modulate histone acetylation, leading respectively to repression and activation of memory-related genetic programs. Here, we showed that an EE of 6 months, even applied to 18 month-old rats, which already present memory deficits, is able to induce persistent chromatin structure modifications through H3. By favoring the expression of genes as bdnf, these changes could participate in the preservation of memory abilities, which are normally lost in 24 month-old rats. The precise identification of regulating elements located on the bdnf promoter brings new data about the potential factors involved in the transcriptional response following EE, e.g. CREB and NFκB. Altogether, our results confirm the role of histone acetylation in memory processes and underline that these regulations remain flexible during life, thus highlighting possible therapeutic strategies in pathological ageing conditions.

La plasticité cérébrale est une capacité remarquable des cellules du cerveau à adapter leur structure et fonction en réponse à l’expérience et l’environnement. Cette plasticité cérébrale est favorisée par des conditions de vie favorables qui peuvent être modélisées chez le rongeur par le modèle de l’Environnement Enrichi (EE). L’EE consiste à mettre un grand nombre de souris dans de grandes cages comprenant de nombreux objets (nids, tunnels, roues…) qui sont changés régulièrement. L’EE induit une activité physique volontaire accrue, des conditions optimales pour la stimulation des interactions sociales, du comportement exploratoire et des fonctions cognitives. L’EE exerce des effets bénéfiques sur les processus physiologiques au niveau de nombreux systèmes (hormonal, cardiovasculaire, immunitaire…). L’EE réduit les comportements anxio-dépressifs, améliore l'apprentissage et la mémorisation. Ces effets sont sous-tendus par des changements au niveau du cerveau et en particulier de l’hippocampe, où l’on observe en EE plus de neurogenèse et synaptogenèse. De manière intéressante, chez les souris immunodéficientes, les performances mnésiques et la neurogenèse sont très altérées, suggérant une interaction bidirectionnelle entre le système immunitaire et le cerveau. Parmi les cellules du système immunitaire, les lymphocytes T (LT) semblent jouer un rôle particulièrement important dans les mécanismes de plasticité neuronale. Notre objectif a été de caractériser le rôle des LT dans les effets de l’EE sur la plasticité cérébrale et de chercher si ces effets impliquent une modification des LT par l’EE. / Cerebral plasticity is a remarkable ability of brain cells to adapt their structure and function in response to experience and the environment. This cerebral plasticity is enhanced by favorable living conditions that can be modeled in the rodent by the Enriched Environment (EE) model. The EE consists in large number of mice in large cages including numerous objects (nests, tunnels, wheels ...) which are changed frequently. EE induces increased voluntary physical activity, optimal conditions for stimulation of social interactions, exploratory behavior and cognitive functions. EE has beneficial effects on physiological processes in many systems (hormonal, cardiovascular, immune system...). EE reduces anxio-depressive behavior, improves learning and memory. These effects are underpinned by changes in the brain and particularly in the hippocampus, where EE induce more neurogenesis and synaptogenesis. Interestingly, in immunodeficient mice, memory performance and neurogenesis are highly impaired, suggesting a bidirectional interaction between the immune system and the brain. Among the cells of the immune system, T cells appear to play a major role in neuronal plasticity mechanisms. Our objective was to characterize the role of T cells in EE’s effects on cerebral plasticity and to investigate whether these effects imply a modification of T cells by EE.

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

Les ganglions de la base sont impliqués dans le contrôle adaptatif du comportement et l’apprentissage procédural. Il est bien établit que la plasticité synaptique cortico-striatale constitue le principal substrat de la mémoire procédurale, affectée lors de la maladie de Parkinson (MP). La plasticité cortico-striatale est modulée par différents neurotransmetteurs, tels que les endocannabinoïdes (eCB) ou la dopamine (DA). Il est donc crucial de caractériser l’implication des interactions eCB-DA dans la plasticité cortico-striatale en conditions physiologique mais aussi pathophysiologique. Nous avons étudié la « spike-timing dependent plasticity » (STDP), une règle synaptique d’apprentissage hebbien. Nous avons mis en évidence, grâce au patch-clamp sur tranches de cerveaux de rongeurs, une STDP potentiation (tLTP) médiée par les eCBs et la DA. Nous avons montré que :(1) Un faible nombre de potentiels d’action est suffisant pour induire une eCB-tLTP par l’activation du CB1R. (2) La eCB-tLTP est exprimée au niveau des neurones striataus de type D1 et D2. (3) La DA, via les D2R exprimé par les afférences présynaptiques, est nécessaire pour la eCB-tLTP. (4) La eCB-tLTP est altérée dans un modèle rongeur de la MP, et est restaurée par la L-DOPA. (5) L’exposition à un milieu enrichi de rongeurs « parkinsoniens » restaure la eCB-tLTP. En conclusion, ces résultats mettent en évidence l’existence d’une plasticité eCB bidirectionnelle modulée par la DA. Cela étend considérablement le spectre d’action des eCBs et en particulier leur implication dans l’engramme de l’apprentissage rapide. / The basal ganglia (BG) are involved in the adaptive control of behavior and procedural learning. The striatum, the primary input nucleus of BG, integrates cortical and dopaminergic inputs constituing a major site of synaptic plasticity. Plasticity at corticostriatal synapses is a key substrate for procedural learning and is affected in Parkinson’s disease (PD). The corticostriatal transmission are modulated by the endocannabinoid (eCB) and dopaminergic (DA) systems. Thus it is pivotal to characterize their interactions in the striatal plasticity in physiological and pathophysiological conditions. Using electrophysiological recordings in rodent brain slices, we unraveled a homosynaptic spike-timing-dependent potentiation mediated by eCBs and DA. We show that at the single-cell level: (1) Few spikes are sufficient to induce eCB-tLTP through CB1R. (2) eCB-tLTP occurs in DA type 1 receptor (D1R)- and DA type 2 receptor (D2R)-expressing cells. (3) DA, through presynaptic D2R, is required for eCB-tLTP induction. (4) eCB-tLTP is impaired in a model of PD and is restored by L-DOPA treatment. (5) Enriched environment rescues eCB-tLTP in DA-deprived rats. In summary, this thesis confirms and further extends a new form of interplay between eCB and DA systems involved in physiological and pathophysiological plasticity processes.

Avec une prévalence en constante augmentation, le diabète de type II est devenu un réel enjeu de santé publique. Cette pathologie se caractérise par une hausse de la production hépatique de glucose, reflet d'une néoglucogenèse accrue qui évoluera en hyperglycémie chronique. Le foie est donc un tissu-cible privilégié pour lutter contre les déséquilibres du métabolisme glucidique. Une nouvelle drogue dérivée de la Metformine et dénuée d'effets secondaires, le E008, a été synthétisée par Merck-Santé pour normaliser la glycémie des sujets diabétiques. Le double objectif de notre travail a consisté à (i) étudier les modifications des flux métaboliques au niveau hépatique dans un modèle nutritionnel de rats développant un syndrome métabolique, (ii) analyser les effets de ce nouveau composé médicamenteux et tenter d'élucider ses mécanismes d'action. Le régime enrichi en graisses entraîne une hausse de la néoglucogenèse associée à des perturbations de la fonction mitochondriale : hausse des radicaux libres, inhibition de la respiration, variation du potentiel rédox. Un dénominateur commun à ces évènements pourrait être une altération mutuelle de la composition des lipides membranaires et des quinones. L'administration du nouvel agent antidiabétique E008 à des rats sous régime gras permet de réduire leur production hépatique exacerbée de glucose, en modifiant le contrôle des voies métaboliques. De plus, il induit une inhibition subtile de la respiration cellulaire en agissant à la fois sur la chaîne respiratoire et sur le système phosphorylant (complexe I inhibé et expression réduite de l'ANT). Son action est également liée à une activation de la protéine kinase AMP dépendante (AMPK), par altération des rapports des nucléotides adényliques.

Le procédé de forgeage à froid permet d'obtenir des pièces de géométrie complexe et présentant une très bonne précision dimensionnelle. La forme finale est obtenue en une ou plusieurs passes, et la matière est soumise à des chargements à la fois multiaxiaux et non monotones accompagnés de forts niveaux de déformation plastique qui peuvent l'amener à s'endommager : rupture de la pièce, fissures en surface ou à cœur, ... Il est alors tout à fait primordial de connaître et mieux comprendre les mécanismes qui peuvent produire ces défauts. Le sujet de thèse concerne donc la modélisation numérique de l'endommagement en forge à froid. Dans un premier temps, le contexte bibliographique concernant les mécanismes d'endommagement et leurs modélisations ont été étudiés. Un modèle d'endommagement, basé sur le modèle de Lemaitre, a alors été implémenté dans le logiciel éléments finis Forge2005®. Dans un deuxième temps, une étude expérimentale concernant la caractérisation de deux nuances en forge à froid a été réalisée. Différents essais de traction ont été menés afin d'étudier notamment l'influence de l'orientation des inclusions sur l'endommagement. Des essais de compression/traction ont également été réalisés dans le but d'examiner l'influence éventuelle de la pré-compression sur la matière. Enfin des essais in-situ (MEB et tomographie X) ont été menés pour analyser l'endommagement au cœur de la matière et mieux en comprendre les mécanismes. Sur la base de ces observations expérimentales, plusieurs améliorations ont été apportées au modèle de Lemaitre afin de le rendre plus adapté aux chargements complexes. Parmi ces améliorations, nous pouvons citer par exemple la prise en compte de l'endommagement en compression, l'introduction d'une limite en triaxialité des contraintes négative, l'introduction d'un nouveau potentiel d'endommagement et la prise en compte de l'orientation des inclusions. Pour finir, des simulations numériques ont été réalisées par le biais du logiciel Forge2005® afin de tester le modèle d'endommagement implémenté. Des cas de validations portant sur des essais mécaniques simples (traction, TELE) ainsi que sur des cas industriels ont alors été simulés et comparés aux résultats expérimentaux.

L'étude de l'impact des facteurs environnementaux sur les effets à long-terme des psychostimulants a montré que des facteurs négatifs, comme le stress, augmentent le risque de développer une addiction, alors que des facteurs positifs, comme l'exposition à des conditions stimulantes, le réduisent. Une partie de cette thèse a consisté à rechercher les mécanismes neurobiologiques et cellulaires qui sous-tendent cette influence environnementale. Ainsi, l'exposition d'animaux à un environnement enrichi (EE), qui procure des conditions stimulantes, diminue leur niveau d'anxiété, un effet qui serait en partie lié à la régulation de gènes appartenant au système cannabinoïde endogène (SCE) dans des régions impliquées dans la réactivité au stress (article 1). Par ailleurs, nos travaux ont mis en évidence des limites de l'exposition à l'EE : quand celle-ci est interrompue, ses effets bénéfiques sont perdus et la vulnérabilité à la cocaïne est même augmentée. Ceci s'expliquerait par l'apparition d'un état émotionnel négatif, associé à une activation du facteur CREB dans l'amygdale étendue, une région carrefour entre la récompense et le stress (article 2). Nous nous sommes aussi intéressés à la toxicité de la méthamphétamine et à sa modulation par le SCE, pour lequel des propriétés neuroprotectives avaient déjà été suggérées. Ainsi, une stimulation pharmacologique du SCE permet de prévenir la neurotoxicité dopaminergique induite par la méthamphétamine (article 3). Nos résultats soulignent la complexité d'utilisation des manipulations environnementales et mettent en lumière les capacités protectives du SCE contre la dépendance et la neurotoxicité engendrées par les psychostimulants. / Studies of the impact of environmental factors on the long-term effects of psychostimulants have shown that negative factors, such as stress, increase the risk of developing drug addiction, while positive factors, such as exposure to stimulating conditions, reduce it. The first aim of this thesis work was to look for the neurobiological and cellular mechanisms that underlie this environmental influence. We found that exposure of animals to stimulating enriched environments (EE) reduces anxiety levels, an effect that may be partly related to the regulation of genes belonging to the endogenous cannabinoid system (ECS) in regions involved in stress reactivity (Article 1). In addition, our work has highlighted some limitations of the exposure to EE since discontinuation of enrichment results not only in the loss of its beneficial effects but also in increased vulnerability to cocaine. This effect is associated with emotional distress associated and changes in the activity of the transcription factor CREB in the extended amygdala, an interface region between reward and stress processes (Article 2). We also investigated whether ECS, for which neuroprotective properties have already been suggested, could reduce the brain toxicity induced by methamphetamine. We found that pharmacological stimulation of ECS provides protection against the methamphetamine-induced dopaminergic neurotoxicity (Article 3). Our results highlight the complex consequences of environmental conditions on brain and behavior and highlight the protective role of ECS against both addiction and neurotoxicity induced by psychostimulants.