La synapse est une structure macromoléculaire dont les composants sont renouvelés en permanence alors que l’assemblage est quasi-stable. A l’échelle mésoscopique, les récepteurs aux neurotransmetteurs (RN) sont accumulés dans le compartiment post-synaptique (PSD). Cette accumulation résulte de la diffusion latérale des RNs dans la membrane neuronale et de leurs immobilisations transitoires dans la PSD. Les protéines d’échafaudage (PE) localisées sous la membrane post-synaptique constituent des sites de capture en interagissant avec les RNs. Mon travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration avec des chimistes et des physiciens afin de comprendre les paramètres impliqués dans le processus de diffusion-capture. Nous nous sommes intéressés au cas de la capture du récepteur de la glycine (RGly) par les agrégats de PEs des synapses inhibitrices, les géphyrines. Nous avons étudié l’impact de la liaison RGly-géphyrine sur le processus de diffusion-capture sous deux aspects. Le premier est lié à la nature bimodale de liaison du RGly. Le second aborde l’impact des phosphorylations de la boucle M3-M4 de la sous-unité β du RGly sur la liaison avec la géphyrine.Mon travail de thèse montre qu’il est maintenant possible, en utilisant des approches de microscopie super-résolutive, de quantifier les aspects thermodynamiques des interactions moléculaires dans les cellules vivantes. / The synapse is a macromolecular structure whose components are constantly renewed while the assembly remains quasi-stable. At the mesoscopic level, neurotransmitter receptors (RNs) accumulate in the post-synaptic compartment (PSD). This accumulation is the result of the lateral diffusion of RNs in the neuronal membrane and transient immobilization within the PSD. This mechanism, called diffusion-trapping has been highlighted by single-molecule-tracking techniques. Scaffold proteins (PE) are localized under the post-synaptic membrane. These proteins form trapping-sites by interacting with RNs. Through an interdisciplinary approach in collaboration with chemists and physicists, the aim of my doctoral research was to understand the parameters that are involved in diffusion-trapping mechanisms. We especially focused on glycine receptor (RGly) trapping by PE clusters at inhibitory synapses, namely the scaffold protein gephyrin. The gephyrin- interaction motif of the GlyR is located within the cytoplasmic domain of the β-subunit of the receptor, the so-called β-loop. Two aspects of the impact of RGly-gephyrin binding on diffusion-trapping were studied. The first was to identify the source of the RGly-gephyrin bimodal binding. The second one addressed the regulation of gephyrin binding by phosphorylation of the GlyR βLoop.My research thus shows that it is now possible to quantify thermodynamic aspects of molecular interactions in living cells using high-density single-molecule-tracking.

Ma thèse est consacrée à l’étude des réseaux neuronaux spinaux impliqués dans la motricité chez l’Homme est comprend deux chapitres. Des travaux récents effectués sur la moelle épinière du rat ont mis en évidence qu’au cours du développement chez les mammifères, les synapses GABAergiques et glycinergiques sont tout d’abord excitatrices avant de devenir inhibitrices et qu’une section de la moelle épinière ne permet pas cette transformation. Cette transition développementale semble due à l’action d’un transporteur transmembranaire (KCC2) au cours de développement qui diminue après section de la moelle épinière. La diminution de l’expression du KCC2 dépolarise l’action du GABA et de la glycine, ce qui conduit donc à une réduction de l'efficacité de synapse inhibitrice. Le but de ce projet est d’explorer si chez l’Homme une section traumatique de la moelle épinière qui prive les neurones inhibiteurs de leur contrôle suprasegmentaire a pour conséquence de modifier leur comportement synaptique, voire de les ramener à un fonctionnement « immature », c’est-à-dire de transformer des synapses inhibitrices en synapses facilitatrices. Pour tester cette hypothèse, nous avons étudié l’effet sur des synapses inhibitrices de la moelle épinière d’une prise per os de furosémide, un antagoniste de KCC2, et comparé ses effets chez des sujets sains et chez des patients porteurs d’une section de la moelle épinière. L’étude sur les sujets sains suggère que le furosémide (40 mg) a pour effet une réduction du fonctionnement des synapses inhibitrices. Cet effet du furosémide sur les synapses inhibitrices semble être réduit chez des patients. Les résultats obtenus chez les sujets sains indiquent que furosémide administré per os à des dose largement utilisé en clinique humain modifie sélectivement le fonctionnement des synapses inhibitrices et permet donc de disposer d’un mesure non-invasive de fonctionnement intrinsèque de la synapse inhibitrice. Les résultats préliminaires obtenus chez les patients porteurs d’une section de la moelle épinière suggèrent une réduction de l’efficacité de synapses inhibitrices qui probablement contribue à la spasticité. La stimulation électrique transcrânienne de courant continu encore appelée « transcranial direct current stimulation (tDCS) » par les anglo-saxons, a connu un essor considérable et constitue aujourd’hui une technique de référence pour moduler l’excitabilité du cortex chez l’Homme. En 2009, Roche et al. ont montré dans notre laboratoire, que la tDCS anodale appliquée sur l’hémisphère contralateral pouvait également modifier l’excitabilité des réseaux neuronaux spinaux (i.e. l’inhibition réciproque au niveau du poignet) enregistrée sur le côté dominant chez les sujets sains. L’existence de projection corticale ipsilatérale sur les réseaux neuronaux spinaux de la moelle épinière et leurs éventuelles modifications après lésion cortico-sous-corticale reste très controversée. Dans ce projet, nous avons testé les effets de la tDCS ipsi- et contralarérale du cortex non-lésé sur l’inhibition réciproque chez des patients AVC. La tDCS ipsilatérale n’induit pas de modifications de l’inhibition réciproque chez les sujets sains. Des résultats similaires enregistrés sur le membre supérieur lésé ont été observés chez des patients AVC, mais ces résultats mériteraient d’être confortés avec un plus grand nombre de sujets. La tDCS contralatérale chez les sujets sains n’induit pas de modifications de l’inhibition réciproque enregistrées sur le membre supérieur non-dominant. Ce résultat est différent de celui observé sur le membre supérieur dominant par Roche et al. (2009). Ce contrôle asymétrique sur l'inhibition réciproque est argument en faveur de l'hypothèse que l'inhibition inter-hémisphérique (IHI) entre les deux cortex moteurs est asymétrique. L’IHI à partir de l'hémisphère «dominant» est probablement plus importante. / My thesis is devoted to the study of the spinal circuitry involved in motor functions using non-invasive electrophysiological methods in humans. It comprises two research projects.Studies in animals have shown that during neural development, GABAergic and glycinergic neurons are first excitatory, and then become inhibitory during maturation. This developmental transition is mainly due to the activation of co-transporter KCC2 at the mature state. A down-regulation of KCC2 was reported after spinal cord transection in the rat that leads to the depolarising (excitatory) action of GABA and glycine and thus results in a reduction of inhibitory synaptic efficiency. The aim of this project was to explore if spinal cord injury (SCI) in human reverses the pattern of GABAergic and glycinergic neurons back towards the immature state (primarily excitatory). To test this hypothesis, we studied the effects of furosemide (a KCC2 antagonist) on spinal inhibitory synaptic function, and compared the results obtained in healthy subjects and SCI patients. Results in healthy subjects suggest that furosemide (40 mg, orally-administrated) induces a reduction of inhibitory synapse functions. This effect of furosemide on inhibitory synapses seems to be reduced in SCI patients. Our results suggest that furosemide has the potential to test functions of inhibitory synapses in humans. The difference of furosemide effects on spinal inhibitory synapse excitability in healthy subjects and SCI patients favours the hypothesis of a decrease in inhibitory neuronal activity induced by down-regulation of KCC2 after SCI in humans that likely contributes to spasticity. Transcranial direct current stimulation (tDCS) has emerged as a method for exploring cortex excitability in humans. Roche et al. (2009) have shown in our laboratory that using anodal tDCS over contralateral motor cortex can also induce changes in spinal network excitability (i.e. reciprocal inhibition between forearm muscles) in the dominant limb in healthy subjects. It is unknown whether motor activity from the unaffected cerebral hemisphere could be employed after semi-brain damage in patients with hemiplegia. Moreover, little is known about the non-affected limb if it always functions like 'normal' after unilateral stroke. In this project, the ipsi- and contralateral corticospinal controls on reciprocal inhibition between forearm muscles were explored using anodal tDCS applied over the unaffected motor cortex of stroke patients and then compared to the results obtained in healthy subjects. Ipsilateral tDCS induces no change in reciprocal inhibition in healthy subjects. Similar results recorded on the affected upper limb are observed in stoke patients. However a larger number of patients is required to confirm the results. Contralateral anodal tDCS in healthy subjects shows no changes of reciprocal inhibition recorded in the non-dominant upper limb. This result is different from that observed in the dominant upper limb by Roche et al. (2009). This asymmetrical control on reciprocal inhibition would favour the hypothesis that the inter-hemispheric inhibition (IHI) between both motor cortices is asymmetric, with prominent IHI projections originating in the “dominant” left hemisphere. Contralateral anodal tDCS of the unaffected motor cortex induces a strong decrease in reciprocal inhibition in non-affected upper limb in stoke patients.This is different from that observed in both dominant and non-dominant upper limb in healthy subjects suggesting that the pathophysiological changes after unilateral stroke would probably not occur only on the hemiparesis side, but may also the non-affected side. A larger number of patients is still required to confirm the results.

La microscopie optique stochastique de reconstruction (STORM) contourne la limite de diffraction en enregistrant des signaux monomoléculaires spatialement et temporellement séparés, atteignant une résolution de ~10-40 nm. Dans mon étude, j'ai développé une stratégie d'imagerie et d'analyse de données dSTORM bicolore afin d'étudier l'ultrastructure des synapses inhibitrices mixtes. Mes résultats ont montré que les GlyRs, les GABAARs, la géphyrine et RIM1/2 présentent une organisation intra-synaptique hétérogène et forment des domaines sous-synaptiques (SSDs). Les GlyR et les GABAAR ne sont pas complètement mélangés, mais peuvent occuper des espaces différents à la densité post-synaptique (PSD). De plus, les SSD de géphyrine postsynaptique sont alignées avec les SSD de RIM1/2 pré-synaptiques, formant des nanocolonnes trans-synaptiques. Au cours d'une activité neuronale élevée par traitement 4-AP, la corrélation spatiale entre les GlyRs, les GABAARs et la géphyrine a augmentée au PSD. De plus, la corrélation spatiale des GlyRs et RIM1/2 a également augmenté, tandis que celle des GABAARs et RIM1/2 n'a pas changé. Le nombre de SSD par synapse pour ces protéines synaptiques n'est pas modifié par 4-AP. Cette étude fourni un nouvel angle de compréhension des mécanismes sous-jacents à la co-transmission GABAergique/glycinergique. / Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM) bypasses the diffraction limit by recording spatially and temporally separated single molecule signals, achieving a resolution of ~10-40 nm. In my study, I have developed a two-color dSTORM imaging and data analysis strategy, in order to investigate the ultrastructure of mixed inhibitory synapses. My results show that GlyRs, GABAARs, gephyrin and RIM1/2 exhibit a heterogeneous intra-synaptic organization and form sub-synaptic domains (SSDs). GlyRs and GABAARs were not fully intermingled, but sometimes occupied different spaces at the post-synaptic density (PSD). In addition, post-synaptic gephyrin SSDs were aligned with pre-synaptic RIM1/2 SSDs, forming trans-synaptic nanocolumns. During elevated neuronal activity by 4-AP treatment, the spatial correlation between GlyRs, GABAARs and gephyrin was increased at the PSD. Moreover, the spatial correlation of GlyRs and RIM1/2 was also increased, while that of GABAARs and RIM1/2 did not change. The number of SSDs per synapse for these synaptic proteins was not changed by 4-AP. My study thus provides a new angle for understanding the mechanisms underlying GABAergic/glycinergic co-transmission.