La douleur est un phénomène complexe régi par le système nerveux. De nombreuses molécules modulent la douleur par des mécanismes complexes et variés. L’une d’elle, l’ocytocine, est plus connue pour ses rôles dans la reproduction et les interactions sociales, mais est pourtant un puissant agent analgésique endogène. Au cours de cette thèse, j’ai cherché à comprendre comment l’ocytocine régulait la douleur dans deux différentes régions du cerveau, l’hypothalamus et l’amygdale. Ces travaux ont permis de mettre à jour un petit groupe de neurones ocytocinergiques de l’hypothalamus, qui contrôle la douleur par une action double, à la fois en inhibant la transmission du message douloureux dans la moelle épinière et en contrôlant en même temps l’activité d’autres neurones ocytocinergiques qui sécrètent alors de l’ocytocine dans la circulation sanguine. Dans l’amygdale, nous avons pu montrer que l’effet analgésique de l’ocytocine nécessitait le bon fonctionnement d’un type de cellule non neuronal, l’astrocyte, qui répond à la présence d’ocytocine et, ce faisant, permet l’activation de circuits de neurones contrôlant la douleur. / Pain is a complex phenomenon arising from the nervous system. Numerous molecules modulate pain through complex and various mechanisms. One of those, oxytocin, is more famous for its roles in reproduction and social interactions, but is also a potent endogenous analgesic. During this thesis, I tried to understand how oxytocin modulates pain in two brain regions, the hypothalamus and the amygdala. This work unveiled a small group of oxytocinergic neurons in the hypothalamus which control pain through a dual action, firstly by inhibiting the pain signals in the spinal cord and secondly by activating at the same time another population of oxytocinergic neurons, which then secrete oxytocin in the bloodstream. In the amygdala, we showed that the analgesic effect of oxytocin required the proper functioning of a non-neuronal cell type, the astrocyte, which responds to oxytocin and, doing so, allows the activation of neural circuits which modulate pain.

Le système cholinergique basalo-cortical joue un rôle crucial dans la régulation de la fonction visuelle grâce à son contrôle sur le cortex visuel primaire (V1). Ce système influence particulièrement la plasticité corticale, les processus d'attention et les mécanismes d'apprentissage. Les neurones cholinergiques, en particulier, jouent un rôle fondamental dans les processus d'attention et les mécanismes d'apprentissage, deux aspects clés de la cognition. Une caractéristique remarquable de ce système est sa capacité à moduler la fonction des neurones visuels. La stimulation des neurones cholinergiques, par exemple, peut entraîner une augmentation du fonctionnement de ces neurones, ce qui se traduit par une amélioration de leur sélectivité pour des tâches visuelles spécifiques. Un exemple frappant de cet effet est observé dans la sensibilité au contraste, une fonction cruciale pour la perception visuelle. Dans ce contexte, notre étude cherche à explorer et à comparer les caractéristiques distinctes de la libération d'acétylcholine (ACh) et de l'activité neuronale au sein du cortex visuel. Nous nous concentrons particulièrement sur les variations de contraste et de mouvement, deux éléments essentiels de l'environnement visuel, pour mieux comprendre comment le système cholinergique influence ces aspects de la perception visuelle. Pour ce faire, nous avons recours à l'imagerie mésoscopique, une technique avancée permettant d'observer l'activité calcique et cholinergique au niveau neuronal. L'imagerie mésoscopique de l'activité calcique et cholinergique a été réalisée chez des souris transgéniques de Thy1-gCAMP6s et des souris gACh-3.0 (senseur d’ACh transfecté par un virus adeno-associé). Dans cette étude, nous avons utilisé un réseau sinusoïdal horizontal de fréquence spatiale de 0,3 cycles par degré et de contraste variable de 30%, 50%, 75%, et 100%. La stimulation sur des moniteurs a inclus 10 répétitions de 2 secondes, avec des intervalles de 8 secondes. L’amplitude maximale des signaux calcique et cholinergiques a été calculée à l'aide d'un système d'imagerie optique modulaire et d'une caméra scientifique complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur, CMOS. Ces mesures ont été effectuées au niveau du V1 ainsi que des zones extrastriées, y compris le cortex occipital latéral (LM), le cortex temporal intermédiaire postérieur (PM) et lateral (AL). L'examen des variationsde l'ACh et des signaux de calcium a été effectué en utilisant l'outil universal mesoscale Imaging dans le logiciel MATLAB. Des changements significatifs dépendant du contraste des signaux provenant de l'indicateur cholinergique (ACh) et calcium (Ca)ont été observés dans toutes les zones visuelles étudiées, à savoir V1, AL et PM, à l'exception de LM. Par exemple, l'amplitude moyenne pour groupe de l'expérience gACh 3.0 a été multipliée par trois lorsque l'on compare la condition de 30 % à la condition de 100 % et pour le groupe gCAMP6s plus de trois fois dans le cortex visuel primaire. En outre, la latence pour la zone V1 a été mesurée, révélant une diminution du temps de réaction à mesure que l'intensité du stimulus augmentait en fonction du contraste, statistiquement significatif pour le groupe gCAMP6s mais non statistiquement significatif pour gACh3.0. La sensibilité au mouvement a été étudiée quant à elle grâce à la projection d’un kinématogramme de points aléatoires (RDK) dont la cohérence de direction variait (de 30%, 50%, 75%, à 100%). Ni le signal calcique si celui d’ACh était sensible à la variation de la cohérence de mouvement. L'efficacité du donepezil (0.1 et 1mg/kg), qui potentialise la transmission cholinergique, était dépendante de la dose et augmentait la libération d’ACh signal mais pas le signal calcique. L’antagonisme des récepteurs muscarinique à l’ACh par la scopolamine (1mg/kg), diminuait le signal calcique. L'activité à l'état de repos présentait une corrélation modeste entre les différentes aires corticales et n’a pas été affectée par le DPZ dans le groupe gACh3.0. Cependant, dans le groupe de la gCAMP6s, les corrélations ont été renforcées après l'administration des injections. En conclusion, les résultats ont révélé une sensibilité accrue au contraste pour la signalisation du calcium et de l'ACh, où les signaux de calcium ont montré une plus grande activation par rapport aux signaux cholinergiques. Cependant les signaux n’étaient pas sensibles à la cohérence des points en mouvement. Conclusion : La libération d’ACh varie en fonction du stimulus visuel et semble avoir un impact sur l’intensité de la réponse neuronale au stimulus. Les médicaments cholinergiques et anticholinergiques, en particulier lorsqu'ils sont administrés à des doses élevées, peuvent induire des altérations de l'amplitude de l’activité corticale. / The basalo-cortical cholinergic system plays a crucial role in the regulation of visual function through its control over the precise adjustment of cortical processing. This system particularly influences cortical plasticity, attentional processes, and learning mechanisms. Cholinergic neurons, in particular, play a critical role in attention processes and learning mechanisms, which are key aspects of cognition. A notable feature of this system is its ability to modulate the function of visual neurons. For instance, stimulation of cholinergic neurons can lead to an enhanced operation of these neurons, resulting in improved selectivity for specific visual tasks. This effect is prominently observed in contrast sensitivity, a crucial function for visual perception. In this context, our study aims to explore and compare the distinct characteristics of acetylcholine (ACh) release and neuronal activity within the visual cortex. We are especially focused on variations in contrast and motion, two essential components of the visual environment, to better understand how the cholinergic system influences these aspects of visual perception. To achieve this, we employ mesoscopic imaging, an advanced technique for observing calcium and cholinergic activity at the neuronal level. Mesoscopic imaging of calcium and cholinergic activity was conducted in Thy1-gCAMP6s transgenic mice and gACh-3.0 mice (ACh sensor transduced by adeno-associated virus). In this study, we used a horizontal sinusoidal grating of 0.3 cycles per degree spatial frequency with varying contrast levels of 30%, 50%, 75%, and 100%. Stimulation on BenQ monitors included 10 repetitions of 2 seconds, with 8-second intervals. The maximum amplitude of calcium and cholinergic signals was calculated using a modular optical imaging system and a complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS, scientific camera. These measurements were taken at V1 and extrastriate areas, including the lateral occipital cortex (LM), posterior intermediate temporal cortex (PM), and lateral (AL). Examination of ACh and calcium signal variations was performed using the universal mesoscale Imaging tool in MATLAB software. Significant contrast-dependent changes in cholinergic (ACh) and calcium (Ca) indicator signals were observed in all visual areas studied, namely V1, AL, and PM, except for LM. For instance, the mean amplitude for the gACh 3.0 experimental group was tripled when comparing the 30% to the 100% condition, and for the gcamp6s group, it was more than tripled in the primary visual cortex. Moreover, the latency for the V1 area was measured, revealing a decrease in reaction time as stimulus intensity increased according to contrast statistically significant for gCAMP6s group but not significant for gACh3.0. Motion sensitivity was studied by projecting a random dot kinematogram with varying directional coherence (from 30%, 50%, 75%, to 100%). Neither the CaS nor the ACh signal was sensitive to variation in motion coherence. The efficacy of DPZ (0.1 and 1mg/kg), which potentiates cholinergic transmission, was dose-dependent and increased ACh release but not calcium signal. Muscarinic ACh receptor antagonism by scopolamine (1mg/kg) decreased calcium signaling. Resting-state activity correlated modestly between the different cortical areas and was not affected by DPZ in the gACh3.0 group. The resting state activity exhibited a modest correlation and was infrequently impacted by treatments in the gACh3.0 group. However, in the gCAMP6s group, both positive and negative correlations were enhanced subsequent to the administration of injections. As a conclusion, the research findings revealed a strong contrast sensitivity of both calcium and ACh signalling, wherein calcium signals exhibited greater activation compared to ACh signals. The influence of ACh on visual processing is thus shown at a very low cognitive level. The signals were not changed by the coherence of moving dots. Cholinergic and anticholinergic drugs, particularly when administered in high dosages, influence the visual processing.

L'exocytose régulée, est un processus qui permet la communication entre les cellules à travers la sécrétion des hormones et des neurotransmetteurs. Dans les neurones et les cellules neuroendocrines, l'exocytose est strictement contrôlée par des signaux extracellulaires tels que le potentiel trans-membranaire et la fixation des ligands sur des récepteurs. Des progrès substantiels ont été effectués afin de comprendre le mécanisme moléculaire de l'exocytose. Les composants majeurs de la machinerie de sécrétion ont été dévoilés. Maintenant, la question qui émerge concerne le rôle de la plateforme de protéines qui semble avoir une action coordonnée entre chaque protéine. Dans le cas de la famille des annexines, qui est bien connue pour son action dans l'exocytose, leurs modes d'interactions séquentielles ou concertées avec d'autres protéines ainsi que leurs effets régulateurs sur l'exocytose ne sont pas encore bien établis. Des résultats précédents indiquent que l'Annexine A6 (AnxA6) affecte l'homéostasie du calcium et la sécrétion de la dopamine à partir des cellules PC12, utilisées comme un modèle cellulaire de neurosécrétion (Podszywalow Bartnicka et al., 2010). Afin de déterminer l'effet inhibiteur de l'AnxA6 sur l'exocytose de la dopamine, nous cherchons des partenaires moléculaires de l'AnxA6 dans les cellules PC12. Nous faisons l'hypothèse que l'AnxA6 interagit avec la PLD1, une enzyme active dans l'étape de la fusion des vésicules avec la membrane plasmique. En utilisant la microscopie confocale et la microscopie à onde évanescente, nous avons trouvé que l'isoforme 1 de l'AnxA6 et la PLD1 sont tous les deux recrutés sur la surface des vésicules au cours de la stimulation des cellules PC12. AnxA6 inhibait l'activité de la PLD comme indiqué par notre méthode d'analyse enzymatique au moyen de la spectroscopie infrarouge. En conclusion, nous proposons que l'AnxA6 n'est pas seulement impliquée dans la réorganisation des membranes par ses capacités à se lier avec des phospholipides négativement chargés et avec le cholestérol, mais elle influence également l'activité de la PLD1, changeant la composition lipidique des membranes / The regulated exocytosis is a key process allowing cell-cell communication through the release of hormone and neurotransmitters. In neurons and neuroendocrine cells, it is strictly controlled by extracellular signal such as transmembrane potential and ligand bindings to receptors. Substantial progress has been made to understand the molecular mechanism of exocytosis. Major components of secretory machinery have been brought to light. Now the emergent question concerns the role of scaffolding proteins that are thought to coordinate the action of each other. In the case of annexin family well known to be involved in exocytosis, their modes of –sequential or concerted- interactions with other proteins, and their regulatory effects on exocytosis are not very well established. Previous findings indicated that Annexin A6 (AnxA6) affected calcium homeostasis and dopamine secretion from PC12 cells, used as cellular model of neurosecretion (Podszywalow-Bartnicka et al., 2010). To determine the inhibitory effect of AnxA6 on exocytosis of dopamine, we were looking for molecular partners of AnxA6 in PC12 cells. We hypothesized that AnxA6 interacts with phospholipase D1 (PLD1), an enzyme involved in the fusion step. By using confocal microscopy and total internal reflection fluorescence microscopy, we found that isoform 1 of AnxA6 and Phospholipase D1 are both recruited on the surface of vesicles upon stimulation of PC12 cells. AnxA6 inhibited phospholipase D activity as revealed by our enzymatic assay based on infrared spectroscopy. To conclude, we propose that AnxA6 is not only implicated in membrane organization by its capacity to bind to negative charged phospholipids and to cholesterol, but AnxA6 is also affecting PLD1 activity, changing membrane lipids composition

Dans le néocortex murin, la division des cellules précurseurs a lieu dès le stade E11 et donne naissance aux premiers neurones pionniers dont les cellules de Cajal-Retzius. L'activité électrique spontanée, portée par les canaux ioniques, joue un rôle prépondérant dans le développement du système nerveux central. Comprendre la place des canaux ioniques et de la signalisation calcique dans les phases précoces de le neurogenèse était l'objectif principal de mon projet. Nous avons montré l'apparition précoce de canaux sodiques dépendants du voltage dans 55% des cellules neuronales à E13, dont les cellules de Cajal-Retzius. En parallèle, nous avons observé des activités calciques spontanées dans les cellules proliférantes et neuronales au même stade. La conception d'un logiciel d'imagerie nous a permis d'analyser statistiquement ces activités et d'identifier les canaux ioniques impliqués. Alors que les synapses ne sont pas encore formées, nous avons observé la mise en place d'activités synchrones au sein du néocortex et démontré l'existence de communications paracrines entre les cellules. De plus, nous avons identifié l'existence d'une cascade de signalisation où la dépolarisation des récepteurs glycinergiques active les canaux sodiques présents sur les neurones pionniers. Dans ces neurones, l'influx sodique entraîne une augmentation de calcium cytoplasmique via un échangeur Na+/Ca2+ puis une exocytose glutamatergique dont le libération paracrine induit l'activation d'autres cellules néocorticales. L'utilisation de la culture organotypique de cerveau nous a laissé entrevoir une implication physiologique majeure de cette cascade de signalisation dans la corticogenèse.

Les odeurs résultent la plupart du temps de la perception de mélanges de molécules odorantes. De nombreuses études ont montré que les caractéristiques perceptives des mélanges d'odorants sont souvent différentes de celles de leurs constituants. Ainsi l'intensité odorante d'un mélange peut être supérieure (synergie ou hyper-addition) ou inférieure (hypo-addition) à la simple somme arithmétique des intensités des constituants du mélange. Les mélanges d'odorants peuvent également donner lieu à de nouvelles qualités d'odeurs (perception synthétique) ou laisser apparaître celles des constituants (perception analytique). Cependant, les mécanismes biologiques impliqués dans la perception des mélanges restent méconnus. Quelques études montrent que des interactions à l'entrée du système olfactif pourraient jouer un rôle important dans le traitement de l'information olfactive. En effet, des interactions compétitives et non compétitives ont été observées au niveau des récepteurs olfactifs (RO) et des neurones sensoriels olfactifs (NSO). Dans cette thèse, nous avons étudié en parallèle les réponses des RO et des NSO ainsi que les réponses comportementales à trois mélanges binaires: Octanal (Oct) + Citronnellal (Cit), Oct + Méthional (Méth) et acétate d'isoamyle (ISO) + whisky lactone (WL). Trois approches ont été mises en œuvre: i) des études in vitro des RO par imagerie calcique sur des cellules HEK293; ii) des mesures ex-vivo d'électro-olfactogrammes au niveau des NSO de rat ; iii) des études psychophysiques chez l'Homme. Les résultats ont montré de fortes similitudes entre les réponses des RO/NSO et les réponses perceptives chez l'Homme pour les mélanges Oct + Méth et WL + ISO. Les liens sont moins importants pour le mélange Oct + Cit pour lequel les RO étudiés génèrent des réponses différentes de celles observées aux niveaux plus intégrés. Globalement, ces résultats soutiennent l'hypothèse que les interactions qui se produisent au niveau périphérique contribuent de manière significative au codage olfactif des mélanges odorants

Cette thèse démontre qu’une potentialisation cholinergique durant un conditionnement visuel typique permet de raffiner la réponse et la connectivité des neurones des aires corticales visuelles ainsi que des aires associatives supérieures via un phénomène plastique. Afin de déterminer cet effet sur un conditionnement visuel monoculaire sur la réponse corticale, nous avons utilisé un système d’imagerie calcique à large champ sur des souris adultes exprimant le rapporteur calcique GCaMP6s. La potentialisation cholinergique était causée par l’administration de donepezil (DPZ), un inhibiteur de l’acétylcholinestérase qui dégrade l’acétylcholine. Cette technique, possédant de bonnes résolutions spatiale et temporelle, a permis l’observation de l’activité neuronale dans les couches supra granulaires du cortex visuel primaire (V1), des aires secondaires (A, AL, AM, LM, PM, RL) ainsi que dans le cortex retrosplénial (RSC). Il a été alors possible de mesurer les modifications d’activité neuronale de ces aires au repos et lors de la présentation de stimulations visuelles, composées de réseaux sinusoïdaux d’orientation et de contraste varié. La réponse corticale des animaux naïfs est similaire en matière d’amplitude et de sensibilité au contraste pour chacune des orientations de stimulations visuelles présentées. Le conditionnement visuel accompagné de l’administration de DPZ diminue significativement la réponse neuronale évoquée par le stimulus conditionné dans la majorité des aires observés alors qu’il ne modifie pas la réponse à la stimulation non conditionnée. Cet effet n’est pas présent sans potentialisation cholinergique. Il est intéressant de noter qu’un effet sur la corrélation d’activation est observé exclusivement dans les aires de la voie visuelle ventrale. Finalement, le conditionnement monoculaire diminue la corrélation au repos entre les aires visuelles monoculaire et binoculaire de chacun des hémisphères, un effet qui disparaît lors de l’administration du DPZ durant le conditionnement. En conclusion, nos résultats démontrent une diminution de l’amplitude et de l’étalement de la réponse corticale dans les couches supra-granulaires de PM et de V1 en réponse à notre traitement. Nous suggérons que ces résultats démontrent une diminution de la réponse excitatrice causée par l’augmentation de l’activité inhibitrice en réponse à la stimulation conditionnée. / The cholinergic system of the basal forebrain modulates the visual cortex and enhances visual acuity and discrimination when activated during visual conditioning. As wide-field calcium imaging provides cortical maps with a fine regional and temporal resolution, we used this technique to determine the effects of the cholinergic potentiation of visual conditioning on cortical activity and connectivity in the visual cortex and higher associative areas. Mesoscopic calcium imaging was performed in head-fixed GCaMP6s adult mice during resting state or monocular presentation of conditioned (0.03 cpd, 30°, 100% contrast) or non-conditioned 1Hz-drifting gratings (30°, 50 and 75% contrast; 90°, 50, 75 and 100% contrast), before and after conditioning. The conditioned stimulus was presented 10 min daily for a week. Donepezil (DPZ, 0.3 mg/kg, s.c.), a cholinesterase inhibitor that potentiates cholinergic transmission, or saline were injected prior to each conditioning session and compared to a sham-conditioned group. Cortical maps were established, then amplitude, duration, and latency of the peak response, as well as size of activation were measured in the primary visual cortex (V1), secondary visual areas (AL, A, AM, PM, LM, RL), the retrosplenial cortex (RSC) , and higher cortical areas. Visual stimulation increased calcium signaling in all primary and secondary visual areas, but no other cortices (except RSC). The cortical responses were sensitive to contrast but not to grating orientation. There were no significant effects of sham-conditioning or conditioning alone, but DPZ treatment during conditioning significantly decreased the evoked neuronal activity response for the conditioned stimulus in V1, AL, PM, and LM. The size of activated area and signal-to-noise ratio were affected in some cortical areas. There was no effect for the non-conditioned stimuli. Interestingly, signal correlation appeared only between V1 and the ventral visual pathway and RSC and was decreased by DPZ administration. The resting state activity was slightly correlated and rarely affected by treatments, except between binocular and monocular V1 in both hemispheres. In conclusion, despite the previously observed enhancement of the cortical response of layer 4 after visual conditioning with cholinergic potentiation, mesoscale cortical calcium imaging showed that cholinergic potentiation diminished the cortical activation in layer 2/3 and sharpened the responses to the conditioned visual stimulus in V1 and PM, via a layer-dependent effect.

La plasticité synaptique est une importante propriété du système nerveux, impliquée dans l’intégration de l’information. Cette plasticité a généralement été décrite par des changements aux niveaux pré et postsynaptiques. Notamment, l’efficacité présynaptique, soit la probabilité de libération de neurotransmetteurs associée au contenu quantique d’une synapse, peut être augmentée ou diminuée selon l’activité antérieure de la synapse. Malgré cette caractérisation, les mécanismes à l’origine de la détermination de l’efficacité présynaptique demeurent obscurs. Également, la plasticité synaptique reste encore mal définie au niveau glial, limitant, de ce fait, notre compréhension de l’intégration de l’information. Pourtant, la dernière décennie a mené à une redéfinition du rôle des cellules gliales. Autrefois reléguées à un rôle de support passif aux neurones, elles sont désormais reconnues comme étant impliquées dans la régulation de la neurotransmission. Notamment, à la jonction neuromusculaire (JNM), les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs) sont reconnues pour moduler l’efficacité présynaptique et les phénomènes de plasticité. Un tel rôle actif dans la modulation de la neurotransmission implique cependant que les CSPs soient en mesure de s’adapter aux besoins changeants des JNMs auxquelles elles sont associées. La plasticité synaptique devrait donc sous-tendre une forme de plasticité gliale. Nous savons, en effet, que la JNM est capable de modifications tant morphologiques que physiologiques en réponse à des altérations de l'activité synaptique. Par exemple, la stimulation chronique des terminaisons nerveuses entraîne une diminution persistante de l’efficacité présynaptique et une augmentation de la résistance à la dépression. À l’opposé, le blocage chronique des récepteurs nicotiniques entraîne une augmentation prolongée de l’efficacité présynaptique. Aussi, compte tenu que les CSPs détectent et répondent à la neurotransmission et qu’elles réagissent à certains stimuli environnementaux par des changements morphologiques, physiologiques et d’expression génique, nous proposons que le changement d'efficacité présynaptique imposé à la synapse, soit par une stimulation nerveuse chronique ou par blocage chronique des récepteurs nicotiniques, résulte en une adaptation des propriétés des CSPs. Cette thèse propose donc d’étudier, en parallèle, la plasticité présynaptique et gliale à long-terme, en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique, à la JNM d’amphibien. Nos résultats démontrent les adaptations présynaptiques de l’efficacité présynaptique, des phénomènes de plasticité à court-terme, du contenu mitochondrial et de la signalisation calcique. De même, ils révèlent différentes adaptations gliales, notamment au niveau de la sensibilité des CSPs aux neurotransmetteurs et des propriétés de leur réponse calcique. Les adaptations présynaptiques et gliales sont discutées, en parallèle, en termes de mécanismes et de fonctions possibles dans la régulation de la neurotransmission. Nos travaux confirment donc la coïncidence de la plasticité présynaptique et gliale et, en ce sens, soulèvent l’importance des adaptations gliales pour le maintien de la fonction synaptique. / Synaptic plasticity is a major property of the nervous system, believed to be at the basis of neuronal information processing. This plasticity has been generally described with pre and postsynaptic adaptations. Notably, presynaptic efficacy, referring to the probability of transmitter release associated with the quantal content of a synapse, can be increased or decreased according to the previous history of synapses. Despite this characterization, the mechanisms implicated in the activity-dependent determination of synaptic efficacy remain unknown. Moreover, synaptic plasticity has never been described in terms of glial adaptations, thus limiting our comprehension of neuronal information processing. Nevertheless, the past decade has lead to a redefinition of glial cells functions. Relegated to a passive role of neuronal support in the past, glial cells are now known to be involved in the regulation of neurotransmission. For instance, at the neuromuscular junction (NMJ), perisynaptic Schwann cells (PSCs) are believed to modulate synaptic efficacy and plasticity. Such an active role requires, however, that PSCs adapt to the changing needs of NMJs. Thus, synaptic plasticity must underlie glial plasticity. At the NMJ, changes in synaptic activity result in several morphological and physiological adaptations. Among others, chronic nerve stimulation was shown to decrease synaptic efficacy and short-term depression. Conversely, chronic blockade of postsynaptic nicotinic receptors increases synaptic efficacy. Given that PSCs can detect and respond to neurotransmission with a calcium elevation and that they react to environmental stimuli with morphological, physiological and gene expression adaptations, we propose that prolonged changes in synaptic efficacy, induced by chronic nerve stimulation or chronic blockade of nicotinic receptors, would lead to PSCs adaptations. Thus, in this thesis, we studied, in parallel, long-term presynaptic and glial plasticity, in response to chronic changes in synaptic activity, at the amphibian NMJ. Our results show presynaptic adaptations of synaptic efficacy, short-term plasticity, mitochondrial content and calcium signalling. They also reveal several adaptations of PSCs, related to their sensitivity to neurotransmitters and their calcium responses properties. These presynaptic and glial adaptations are discussed, in parallel, in terms of possible mechanisms and functions in the regulation of neurotransmission. Our work also confirms the coincidence of presynaptic and glial plasticity and, therefore, raises the importance of glial adaptations for the maintenance of synaptic function.

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice. / Olfactory inputs are known for their ability to induce specific motor behaviors. Despite numerous behavioral observations in vertebrates, the mechanisms and the neural pathways underlying the olfactory-locomotor transformation are still unknown. In lamprey, recent studies have described this pathway and the mechanism underlying the transformation of olfactory input into a locomotor activity (Derjean et al., 2010). This pathway originates in the medial part of the olfactory bulb, sends projections to the posterior tuberculum, a diencephalic region. From there, the neurons project directly to the mesencephalic locomotor region that is known to send projections to the reticulospinal neurons to activate locomotion. Using lamprey brain preparation, electrophysiology and calcium imaging, the aim of this study was to establish whether all reticulospinal neurons respond to olfactory stimuli. Electrical stimulation of the olfactory nerves, the medial part of the olfactory bulb or the posterior tuberculum activates all reticulospinal cells in the four reticular nuclei (ARRN: Anterior rhombencephalic reticular nucleus; MRN: middle mesencephalic reticular nucleus; MRRN: middle rhombencephalic reticular nucleus; PRRN: posterior rhombencephalic reticular nucleus). The medial part of the olfactory bulb is the only region that is implicated in transmitting the olfactory information to reticulospinal neurons. We also discovered that when blocking the GABAergic receptors in the medial part of the olfactory bulb, the reticulospinal neurons have a stronger response to olfactory stimulation. Thus we showed that a tonic inhibition is involved in the modulating depression of the olfacto-locomotor pathway. Altogether, this work shows that stimulation of the olfactory sensory inputs activates simultaneously the entire population of reticulospinal neurons that control locomotion. In addition, there is a GABAergic tonic inhibition at the level of the medial part of the olfactory bulb that causes a modulating depression in the olfacto-locomotor pathway.

La plasticité synaptique est une importante propriété du système nerveux, impliquée dans l’intégration de l’information. Cette plasticité a généralement été décrite par des changements aux niveaux pré et postsynaptiques. Notamment, l’efficacité présynaptique, soit la probabilité de libération de neurotransmetteurs associée au contenu quantique d’une synapse, peut être augmentée ou diminuée selon l’activité antérieure de la synapse. Malgré cette caractérisation, les mécanismes à l’origine de la détermination de l’efficacité présynaptique demeurent obscurs. Également, la plasticité synaptique reste encore mal définie au niveau glial, limitant, de ce fait, notre compréhension de l’intégration de l’information. Pourtant, la dernière décennie a mené à une redéfinition du rôle des cellules gliales. Autrefois reléguées à un rôle de support passif aux neurones, elles sont désormais reconnues comme étant impliquées dans la régulation de la neurotransmission. Notamment, à la jonction neuromusculaire (JNM), les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs) sont reconnues pour moduler l’efficacité présynaptique et les phénomènes de plasticité. Un tel rôle actif dans la modulation de la neurotransmission implique cependant que les CSPs soient en mesure de s’adapter aux besoins changeants des JNMs auxquelles elles sont associées. La plasticité synaptique devrait donc sous-tendre une forme de plasticité gliale. Nous savons, en effet, que la JNM est capable de modifications tant morphologiques que physiologiques en réponse à des altérations de l'activité synaptique. Par exemple, la stimulation chronique des terminaisons nerveuses entraîne une diminution persistante de l’efficacité présynaptique et une augmentation de la résistance à la dépression. À l’opposé, le blocage chronique des récepteurs nicotiniques entraîne une augmentation prolongée de l’efficacité présynaptique. Aussi, compte tenu que les CSPs détectent et répondent à la neurotransmission et qu’elles réagissent à certains stimuli environnementaux par des changements morphologiques, physiologiques et d’expression génique, nous proposons que le changement d'efficacité présynaptique imposé à la synapse, soit par une stimulation nerveuse chronique ou par blocage chronique des récepteurs nicotiniques, résulte en une adaptation des propriétés des CSPs. Cette thèse propose donc d’étudier, en parallèle, la plasticité présynaptique et gliale à long-terme, en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique, à la JNM d’amphibien. Nos résultats démontrent les adaptations présynaptiques de l’efficacité présynaptique, des phénomènes de plasticité à court-terme, du contenu mitochondrial et de la signalisation calcique. De même, ils révèlent différentes adaptations gliales, notamment au niveau de la sensibilité des CSPs aux neurotransmetteurs et des propriétés de leur réponse calcique. Les adaptations présynaptiques et gliales sont discutées, en parallèle, en termes de mécanismes et de fonctions possibles dans la régulation de la neurotransmission. Nos travaux confirment donc la coïncidence de la plasticité présynaptique et gliale et, en ce sens, soulèvent l’importance des adaptations gliales pour le maintien de la fonction synaptique. / Synaptic plasticity is a major property of the nervous system, believed to be at the basis of neuronal information processing. This plasticity has been generally described with pre and postsynaptic adaptations. Notably, presynaptic efficacy, referring to the probability of transmitter release associated with the quantal content of a synapse, can be increased or decreased according to the previous history of synapses. Despite this characterization, the mechanisms implicated in the activity-dependent determination of synaptic efficacy remain unknown. Moreover, synaptic plasticity has never been described in terms of glial adaptations, thus limiting our comprehension of neuronal information processing. Nevertheless, the past decade has lead to a redefinition of glial cells functions. Relegated to a passive role of neuronal support in the past, glial cells are now known to be involved in the regulation of neurotransmission. For instance, at the neuromuscular junction (NMJ), perisynaptic Schwann cells (PSCs) are believed to modulate synaptic efficacy and plasticity. Such an active role requires, however, that PSCs adapt to the changing needs of NMJs. Thus, synaptic plasticity must underlie glial plasticity. At the NMJ, changes in synaptic activity result in several morphological and physiological adaptations. Among others, chronic nerve stimulation was shown to decrease synaptic efficacy and short-term depression. Conversely, chronic blockade of postsynaptic nicotinic receptors increases synaptic efficacy. Given that PSCs can detect and respond to neurotransmission with a calcium elevation and that they react to environmental stimuli with morphological, physiological and gene expression adaptations, we propose that prolonged changes in synaptic efficacy, induced by chronic nerve stimulation or chronic blockade of nicotinic receptors, would lead to PSCs adaptations. Thus, in this thesis, we studied, in parallel, long-term presynaptic and glial plasticity, in response to chronic changes in synaptic activity, at the amphibian NMJ. Our results show presynaptic adaptations of synaptic efficacy, short-term plasticity, mitochondrial content and calcium signalling. They also reveal several adaptations of PSCs, related to their sensitivity to neurotransmitters and their calcium responses properties. These presynaptic and glial adaptations are discussed, in parallel, in terms of possible mechanisms and functions in the regulation of neurotransmission. Our work also confirms the coincidence of presynaptic and glial plasticity and, therefore, raises the importance of glial adaptations for the maintenance of synaptic function.

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice. / Olfactory inputs are known for their ability to induce specific motor behaviors. Despite numerous behavioral observations in vertebrates, the mechanisms and the neural pathways underlying the olfactory-locomotor transformation are still unknown. In lamprey, recent studies have described this pathway and the mechanism underlying the transformation of olfactory input into a locomotor activity (Derjean et al., 2010). This pathway originates in the medial part of the olfactory bulb, sends projections to the posterior tuberculum, a diencephalic region. From there, the neurons project directly to the mesencephalic locomotor region that is known to send projections to the reticulospinal neurons to activate locomotion. Using lamprey brain preparation, electrophysiology and calcium imaging, the aim of this study was to establish whether all reticulospinal neurons respond to olfactory stimuli. Electrical stimulation of the olfactory nerves, the medial part of the olfactory bulb or the posterior tuberculum activates all reticulospinal cells in the four reticular nuclei (ARRN: Anterior rhombencephalic reticular nucleus; MRN: middle mesencephalic reticular nucleus; MRRN: middle rhombencephalic reticular nucleus; PRRN: posterior rhombencephalic reticular nucleus). The medial part of the olfactory bulb is the only region that is implicated in transmitting the olfactory information to reticulospinal neurons. We also discovered that when blocking the GABAergic receptors in the medial part of the olfactory bulb, the reticulospinal neurons have a stronger response to olfactory stimulation. Thus we showed that a tonic inhibition is involved in the modulating depression of the olfacto-locomotor pathway. Altogether, this work shows that stimulation of the olfactory sensory inputs activates simultaneously the entire population of reticulospinal neurons that control locomotion. In addition, there is a GABAergic tonic inhibition at the level of the medial part of the olfactory bulb that causes a modulating depression in the olfacto-locomotor pathway.