Le segment initial de l’axone (SIA) est un sous-domaine fonctionnel du neurone localisé dans l’axone proximal, qui assure deux fonctions : l’initiation du potentiel d’action et le maintien de l’identité axonale. Le maintien et la stabilité du SIA sont des éléments fondamentaux de l’excitabilité du neurone et la nature dynamique de l’organisation fonctionnelle du SIA a été mise en évidence. Les objectifs de mes travaux de thèse ont été d’étudier les mécanismes responsables du maintien du SIA, en condition physiologique ou pathologique et d’identifier de nouveaux acteurs impliqués dans ces mécanismes. Dans un premier temps, nous avons identifié et caractérisé l’expression d’une nouvelle protéine au SIA : la protéine Scrib1. En utilisant une approche par ARN interférent nous avons montré que Scrib1 est nécessaire au maintien de la morphologie du SIA. Les conséquences fonctionnelles de l’absence de Scrib1 sont une diminution de l’excitabilité neuronale. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux mécanismes pouvant être à l’origine de l’expression ectopique du canal Nav1.8 observée dans certaines pathologies démyélinisantes. Nous avons montré que Nav1.8 possède un site d’interaction à l’ankyrine G. Ce motif d’interaction est suffisant pour adresser un canal chimérique au SIA et perturber l’expression des Nav1 endogènes. A l’inverse des Nav1 du système nerveux central, l’interaction entre Nav1.8 et l’ankyrine G n’est pas régulée par la CK2. Cette interaction constitutive entre Nav1.8 et l’ankyrine G pourrait expliquer son expression ectopique dans le système nerveux central. / The axonal initial segment (AIS) is a unique sub-domain that plays a central role in the physiology of the neuron, as it orchestrates both electrogenesis and the maintenance of neuronal polarity. The maintenance and the stability of the AIS after assembly ensure a reliable generation of action potentials. However, new mechanisms affecting AIS protein-protein interaction and composition have been shown to modulate the electrogenesis of the neuron. Moreover, recent findings highlight that the AIS is capable of homeostatic plasticity through an activity–dependent change either in its location along the proximal axon or in its length. The objectives of my thesis were to study the mechanisms responsible for AIS maintenance in physiological or pathological condition and to identify new players involved in these mechanisms.First we identified and characterized the expression of a novel protein in AIS: the protein Scrib1. Using an shRNA approach we showed that Scrib1 is necessary to maintain the AIS morphology. The functional consequence of the absence of Scrib1 is a decreased of neuronal excitability.Second, we are interested in the mechanisms that cause the ectopic expression of Nav1.8 channel observed in demyelinating diseases. We found that Nav1.8 constitutively interacts with ankG in contrast to Nav1.2, which requires CK2 phosphorylation to bind ankG. Furthermore, when Nav1.8 ankyrin-binding domain was expressed in hippocampal neuron, it clustered at the AIS where it acted as a dominant negative for endogenous Nav1. This constitutive interaction between Nav1.8 and ankG could explain the ectopic expression of Nav1.8 in the central nervous system.

Patterned neuronal activity driven by the sensory environment plays a key role in the development of precise synaptic connectivity in the brain. It is well established that the action potentials (‘spikes’) generated by individual neurons are crucial to this developmental process. A neuron’s spiking activity is jointly determined by its synaptic inputs and its intrinsic excitability. It is therefore important to ask how a neuron develops these attributes, and whether the emergence of spiking might itself be governed by activity-dependent processes. In this thesis, I address these questions in the retinotectal system of Xenopus laevis. First, I investigate the extent to which visuospatial information is available to the developing retinotectal system. I show that the eyes of developing Xenopus larvae are hyperopic at the onset of vision, but rapidly grow towards correct vision. Despite its imperfect optics, the Xenopus eye is able to generate spatially restricted activity on the retina, which is evident in the spatial structure of the receptive fields (RFs) of tectal neurons. Using a novel method to map the visually driven spiking output and synaptic inputs of the same tectal neuron in vivo, I show that neuronal spiking activity closely follows the spatiotemporal profile of glutamatergic inputs. Next, I characterise a population of neurons in the developing optic tectum that does not fire action potentials, despite receiving visually evoked glutamatergic and γ-aminobutyric acid (GABA)ergic synaptic inputs. A comparison of visually spiking and visually non-spiking neurons reveals that the principal reason these neurons are ‘silent’ is that they lack sufficient glutamatergic synaptic excitation. In the final section of the thesis, I investigate whether visually driven activity can play a role in the ‘unsilencing’ of these silent neurons. I show that non-spiking tectal neurons can be rapidly converted into spiking neurons through a visual conditioning protocol. This conversion is associated with a selective increase in glutamatergic input and implicates a novel, spike-independent form of synaptic potentiation. I provide evidence that this novel plasticity process is mediated by GABAergic inputs that are depolarising during early development, and can act in synergy with N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) to strengthen immature glutamatergic synapses. Consistent with this, preventing the depolarising effects of GABA or blocking NMDARs abolished the activity-dependent unsilencing of tectal neurons. These results therefore support a model in which GABAergic and glutamatergic transmitter systems function synergistically to enable a neuron to recruit the synaptic excitation it needs to develop sensory-driven spiking activity. This represents a transition with important consequences for both the functional output and the activity-dependent development of a neuron.

Les études basées sur l’utilisation de modèles murins de la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) portent très souvent sur des stades symptomatiques ou pré-symptomatiques. Des données existent cependant montrant que des altérations morphologiques des motoneurones existent aux stades post-nataux, suggérant que la SLA pourrait être une maladie neurodéveloppementale. Dans ce travail de thèse basé sur l’utilisation du modèle murin SOD1G93A de la SLA, nous avons cherché à savoir si dès le développement des réseaux moteurs, des perturbations existaient notamment au niveau de la mise en place des inhibitions, c'est-à-dire au niveau de l’homéostasie chlorure. En effet, nous pensons qu’une mauvaise construction du réseau pendant la vie embryonnaire serait la cause des dysfonctionnements observés lors de la survenue de la SLA. Nos données mettent en évidence que la morphologie des motoneurones est modifiée chez les embryons SOD1G93A au stade de développement E17,5 par rapport aux embryons WT et que cette modification de morphologie induit une hyperexcitabilité. De plus, nous montrons une altération du potentiel d’équilibre des ions chlorure (ECl) due à une modification de l’équilibre de la balance des co-transporteurs NKCC1/KCC2. Enfin, nous avons cherché à savoir si une modification du ECl avait une conséquence fonctionnelle au niveau de la mise en place de l’activité locomotrice exprimée par le réseau spinal lombaire. En conclusion, les travaux de cette thèse démontrent pour la première fois un déficit développemental au niveau du modèle murin SOD1G93A et ouvre des perspectives sur la recherche des mécanismes de compensations opérant jusqu’à la survenue du phénotype de la maladie. / Most studies based on the use of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) mouse models focus on symptomatic or presymptomatic periods. However, morphological alterations of ALS motoneurons have been described in post-natal stages, suggesting that ALS could be a neurodevelopmental disease. In this PhD Thesis, based on the use of the SOD1G93A mouse model of ALS, we tried to know if during the embryonic development of the spinal motoneuronal networks, alterations occur particularly at the level of the maturation of GABA/Glycine inhibition, driven by the chloride homeostasis. Indeed, we believe that a wrong construction of the motor network during the embryonic life may be the cause of the troubles observed at the onset of ALS. Our data show that the morphology of motoneurons is altered in E17,5 SOD1G93A embryos compared to WT embryos and that this changes in morphology induced hyperexcitability. In addition, we show an alteration of the equilibrium potential of chloride ions (ECl) due to a modification of the balance of NKCC1/KCC2 chloride co-transporters. Finally, we tried to know if a modification of the ECl had functional consequences in the development of locomotor activity expressed by the lumbar spinal network. In conclusion, the work of this PhD Thesis demonstrates, for the first time, a developmental deficit in the SOD1G93A mouse model and opens new perspectives based on understanding compensatory mechanisms occuring until the appearance of the disease.

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une technique d'investigation classiquement utilisée dans l'évaluation du cortex moteur. La TMS est utilisée dans l'étude de la fatigue afin de distinguer sa composante centrale. Peu d'études ont utilisé cette technique pour évaluer les effets de l'exercice locomoteur et aucune dans des conditions extrêmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse était double: d'abord, répondre à certaines questions méthodologiques concernant l'utilisation de la TMS dans l'évaluation de la fatigue, en particulier du muscle quadriceps, et deuxièmement, étudier les effets de l'exercice en conditions extrêmes sur le développement de la fatigue centrale et supraspinal ainsi que sur l’excitabilité et l'inhibition corticospinales. Dans les Etudes 1 et 2, l'effet de différentes approches d'une force cible avant l’application d'une impulsion TMS ainsi que les différences entre les principales méthodes utilisées pour déterminer l'intensité optimale de TMS ont été étudiés. Dans l'Etude 3, l'effet d'une nuit de privation de sommeil sur les performances cognitives et physiques et les paramètres centraux a été étudié. L'effet d'un ultra-trail de 110 km sur la composante supraspinale de la fatigue centrale a été évalué dans l'Etude 4. Les conclusions principales de cette thèse sont, sur le plan méthodologique, i) que lors de l'évaluation par TMS pendant de brèves contractions volontaires, il est essentiel d’appliquer l'impulsion de TMS après que la force produite par le sujet se soit stabilisée à la valeur cible et ii) qu'une courbe stimulus-réponse à 20% de la force maximale volontaire est appropriée pour déterminer l'intensité de TMS optimale dans les études portant sur l'exercice et la fatigue. De plus, bien que la privation de sommeil ait des impacts négatifs sur les performances cognitives et à l'exercice, elle n'a pas d'influence sur des paramètres neuromusculaires ni ne provoque une plus grande fatigue centrale. Une fatigue supraspinale se développe et l’excitabilité corticospinale augmente au cours d’exercices d'endurance/ultra-endurance en course à pied et ne vélo, tandis que les effets sur les mécanismes inhibiteurs corticospinaux sont équivoques et probablement dépendent des caractéristiques de l'exercice et de l'intensité de la TMS / Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a widely-used investigative technique in motor cortical evaluation. TMS is now being used in the investigation of fatigue to help partition the effects of central fatigue. Few studies have utilized this technique to evaluate the effects of locomotor exercise and none in conditions of extreme exercise. Therefore, the purpose of this thesis was twofold; first, to answer methodological questions pertaining to the use of TMS in fatigue evaluation, particularly of the quadriceps, and second, to investigate the effects of extreme exercise conditions on the development of central and supraspinal fatigue and corticospinal excitability and inhibition. In Studies 1 and 2, the effect of approaching a target force in different ways before the delivery a TMS pulse and the difference between commonly-employed methods of determining TMS intensity on the selection of optimal TMS intensity were investigated. In Study 3, the effect of one night sleep deprivation on cognitive and exercise performance and central parameters was investigated. The effect of a 110-km ultra-trail on the supraspinal component of central fatigue was evaluated in Study 4. The principal findings from this thesis are that during TMS evaluation during brief voluntary contractions, it is essential to deliver the TMS pulse once the force has stabilized at the target and that a stimulus-response curve at 20% MVC is appropriate for determining optimal TMS intensity in exercise and fatigue studies. Furthermore, while sleep deprivation negatively-impacted cognitive and exercise performance, it did not influence neuromuscular parameters nor result in greater central fatigue. Supraspinal fatigue develops and corticospinal excitability increases during endurance/ultra-endurance running and cycling, while the effects on inhibitory corticospinal mechanisms are equivocal and probably depend on exercise characteristics and TMS intensity

Le cortex préfrontal médian (mPFC) est nécessaire pour la formation desreprésentations contextuelles et l’expression de la mémoire suite au conditionnementde peur. Des études récentes ont montré des changements dépendants del’apprentissage dans l’excitabilité intrinsèque des neurones du mPFC. Il n’estcependant pas établit, si ces changements se font à l’échelle régionale ou s’ils sontspécifiques du type neuronal. La connectivité spécifique et les propriétés intrinsèquesde différents types neuronaux pourraient entrainer certaines populations neuronales àêtre préférentiellement impliquées dans le traitement de l’information au cours d’unetâche d’apprentissage. Dans ce projet, nous avons étudié cette hypothèse par l’étudede la plasticité de l’excitabilité intrinsèque dans la partie prélimbique (PL) du mPFCdans deux groupes neuronaux bien définis : ceux projetant vers l’amygdaleipsilatérale et ceux projetant vers le mPFC controlatéral. Nous avons utilisé à la fois leconditionnement à la peur contextuelle, un traçage rétrograde, et des enregistrementsélectrophysiologiques en cellule entière des neurones pyramidaux marqués chez lessouris mâles C57bl/6J adultes âgées de 2 à 3 mois. Nous montrons que l’excitabilitédes neurones projetant vers l’amygdale présentent des changements dépendants del’apprentissage, suite au conditionnement de peur contextuelle. En revanche,l’excitabilité des neurones projetant vers le mPFC controlatéral ne présente pas dedifférence entre les animaux entrainés et témoins. Ensemble, ces résultats indiquentque les changements induits par l’apprentissage dans l’excitabilité intrinsèque ne sontpas généralisés à tous les neurones du PL mais sont par contre définis par les ciblesdes neurones qui projettent sur de longues distances. / The medial prefrontal cortex (mPFC) is necessary for the formation of contextualrepresentations and memory expression following fear conditioning. Recent studieshave shown learning-dependent changes in the intrinsic excitability of mPFC neurons.It is not clear, however, whether these changes are region-wide or neuron-typespecific. The specific connectivity and intrinsic properties of different neuronal typescould cause certain neuronal populations to be preferentially involved in informationprocessing in a learning paradigm. In this project, we investigated this hypothesis bystudying the plasticity of intrinsic excitability in the prelimbic (PL) part of the mPFCin two defined neuronal groups: those projecting to the ipsilateral amygdala and thoseprojecting to the contralateral mPFC. We used contextual fear conditioning togetherwith retrograde tracing and whole-cell electrophysiological recordings of labelledpyramidal neurons in adult 2-3 month old male C56BL/6J mice. We show thatneurons projecting to the amygdala display learning-dependent changes in neuronalexcitability following contextual fear conditioning. In contrast, the excitability ofneurons projecting to the contralateral mPFC does not differ between trained andcontrol animals. Together, these results indicate that learning-induced changes inintrinsic excitability are not generalised across all PL neurons but instead are definedby the neurons’ long-range projection targets.

1ère Etude (Fatigue et ATP dans la SEP): La fatigue dans la SEP est un symptôme fréquent et retentit sur la qualité de vie. L’évaluation clinique est réalisée par le score FSS (fatigue scale score). Cependant, il est nécessaire d’avoir des biomarqueurs fiables et objectifs, notamment si une perspective thérapeutique est envisagée. L’ATP (adénosine tri-phosphate) est un marqueur du métabolisme énergétique et peut être mesuré in vivo à l’étage cérébral par spectroscopie du phosphore (31P-MRS). L’objectif de cette étude est d’évaluer s’il existe une corrélation du β-ATP (spécifique de l’ATP) avec la fatigue évaluée par le FSS. 30 patients présentant une SEP progressives ont été explorés en IRM 3T avec une antenne spécifique du phosphore par une séquence 31P-MRS multivoxel centrée sur les centres semi-ovales. 2 régions ont été segmentées: (a) les hémisphères fronto-pariétaux et (b) substance blanche normale repérée à partir d’une séquence FLAIR. Les ratios des métabolites énergétiques évalués étaient le PCr% et le β-ATP%. Les corrélations statistiques entre les métabolites énergétiques avec le FSS ont été calculées par les tests de Spearman. Les résultats ont montré que le β-ATP% était corrélé avec le FSS (r=0.46; p=0,01) dans les hémisphères fronto-pariétaux.2ème Etude (Cortex moteur et faisceau cortico-spinal évalués par IRM et excitabilité corticale dans la SEP): Les lésions corticales, notamment de l’aire motrice, sont source de handicap. Les séquences de double (DIR) et phase sensitive inversion récupération (PSIR) permettent d’évaluer les lésions corticales et la séquence en imagerie en tenseur de diffusion (DTI) permet quant à elle d’évaluer le faisceau cortico-spinal (CS). L’excitabilité corticale permet aussi d’évaluer ces régions anatomiques par SMT (stimulation magnétique transcrânienne). L’objectif de cette étude a été de rechercher une corrélation entre les données IRM et d’excitabilité corticale. 25 SEP progressives ont eu une SMT pour évaluer l’excitabilité corticale du cortex moteur pour obtenir les paramètres de FICmoy, FICmax, IICmoy, IICmax (facilitation et inhibition intra-corticale). Ces patients ont aussi eu une IRM avec les séquences: 3D DIR (0,7x0,7x0,8mm), axiales PSIR (0,6x0,6x3mm) pour compter le nombre de lésion du cortex moteur du côté ipsilatéral, et une séquence DTI 12 directions pour extraire les paramètres de fraction d’anisotropie (FA), coefficient apparent de diffusion (ADC), diffusivité radiale et axiale du CS ipsilatéral. Les corrélations entre les données IRM avec les données d’excitabilité sont calculées par tests de Spearman. Les résultats ne montrent pas de corrélation entre le nombre de lésions corticales avec les données d’excitabilité corticale. Il existe en revanche une corrélation entre FICmoy et FICmax avec la diffusivité radiale (r=0.56 ; p=0.004 et r=-0.59 ; p=0.002, respectivement) et avec l’ADC (r=-0.44; p=0.03 et r=-0.45 ; p=0.02, respectivement) suggérant un épuisement de compensation de la FIC par les lésions de démyélinisation. / 1st Study (Fatigue and ATP in MS): Fatigue in MS is a common symptom and impact on quality of life. Clinical examination relies on FSS (fatigue scale score). However, it is important to have reliable and objective biomarkers. ATP (adenosin tri-phosphate) is an energetic metabolite which can be measured by brain phosphorous magnetic spectroscopy (31P-MRS) in vivo. We aimed to assess correlation between β-ATP (specific of ATP) with FSS. 30 progressive MS were assessed by 3T MRI with a phosphorous coil and a multivoxel 31P-MRS sequence. 2 areas were segmented in: (a) fronto-parietal hemispheres and (b) normal appearing white matter (NAWM) defined by FLAIR sequence. The energetic metabolites ratios assessed were: PCr% and β-ATP%. Correlations between energetic metabolites with FSS were computed by Spearman tests. Results showed β-ATP% correlated with FSS (r=0.46; p=0,01) in fronto-parietal hemispheres.2nd Study (Motor cortex and cortico-spinal tract assessed by MRI et cortical excitability in MS): Cortical lesions, especially from motor cortex, result in disability. Double and phase sensitive inversion recovery sequences can assess cortical lesions while diffusion tractography imaging (DTI) can assess cortico-spinal tract (CST). Cortical excitability can also assess these anatomical areas by transcranial magnetic stimulation (TMS). We aimed to assess correlation between MRI data with cortical excitability. 25 progressive MS had cortical excitability from motor cortex assessed by TMS: ICFmean, ICFmax, ICImean, ICImax (intra-cortical facilitation and inhibition). These patients also had a MRI with the following sequences: 3D DIR (0,7x0,7x0,8mm), axial PSIR (0,6x0,6x3mm) to count ipsitaleral motor cortical lesions, and a 12-directions DTI sequence to obtain fractional anisotropy (FA), apparent diffusion coefficient (ADC), radial and axial diffusivity parameters of ipsilateral CST. Correlations between MRI data with cortical excitability data were computed by Spearman tests. The results did not show correlation between cortical lesions count and cortical excitability data. There was a correlation between ICFmean and ICFmax with radial diffusivity (r=0.56; p=0.004 et r=-0.59; p=0.002, respectively) and with ADC (r=-0.44; p=0.03 et r=-0.45; p=0.02, respectively) which suggests a defective ICF by demyelinated lesions.

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L'un des enjeux majeurs actuellement en neurosciences est l'élaboration de modèles computationnels capables de reproduire les données obtenues expérimentalement par des méthodes d'imagerie et permettant l'étude de la relation structure-fonction dans le cerveau. Les travaux de modélisation dans cette thèse se situent à deux échelles et l'analyse des modèles a nécessité le développement d'outils théoriques et numériques dédiés. À l'échelle locale, nous avons proposé un nouveau modèle d'équations différentielles ordinaires générant des activités neuronales, caractérisé et classifié l'ensemble des comportements générés, comparé les sorties du modèle avec des données expérimentales et identifié les structures dynamiques sous-tendant la génération de comportements pathologiques. Ce modèle a ensuite été couplé bilatéralement à un nouveau compartiment modélisant les dynamiques de neuromédiateurs et leurs rétroactions sur l'activité neuronale. La caractérisation théorique de l'impact de ces rétroactions sur l'excitabilité a été obtenue en formalisant l'étude des variations d'une valeur de bifurcation en un problème d'optimisation sous contrainte. Nous avons enfin proposé un modèle de réseau, pour lequel la dynamique des noeuds est fondée sur le modèle local, incorporant deux couplages: neuronal et astrocytaire. Nous avons observé la propagation d'informations différentiellement selon ces deux couplages et leurs influences cumulées, révélé les différences qualitatives des profils d'activité neuronale et gliale de chaque noeud, et interprété les transitions entre comportements au cours du temps grâce aux structures dynamiques identifiées dans les modèles locaux. / A current issue in neuroscience is to elaborate computational models that are able to reproduce experimental data recorded with various imaging methods, and allowing us to study the relationship between structure and function in the human brain. The modeling objectives of this work are two scales and the model analysis need the development of specific theoretical and numerical tools. At the local scale, we propose a new ordinary differential equations model generating neuronal activities. We characterize and classify the behaviors the model can generate, we compare the model outputs to experimental data and we identify the dynamical structures of the neural compartment underlying the generation of pathological patterns. We then extend this approach to a new neuro-glial mass model: a bilateral coupling between the neural compartment and a new one modeling the impact of astrocytes on neurotransmitter concentrations and the feedback of these concentrations on neural activity is developed. We obtain a theoretical characterization of these feedbacks impact on neuronal excitability by formalizing the variation of a bifurcation value as a problem of optimization under constraint. Finally, we propose a network model, which node dynamics are based on the local neuro-glial mass model, embedding a neuronal coupling and a glial one. We numerically observe the differential propagations of information according to each of these coupling types and their cumulated impact, we highlight qualitatively distinct patterns of neural and glial activities of each node, and link the transitions between behaviors with the dynamical structures identified in the local models.

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