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De nos jours, on attribue une myriade d’effets bénéfiques aux polyphénols alimentaires. Ces affirmations reposent la plupart du temps sur des études in vitro, sur quelques études in vivo et presque jamais sur des essais cliniques. On se rend compte de plus en plus que l’intérêt des polyphénols ne résiderait pas uniquement dans leur pouvoir antioxydant mais également dans leur capacité à cibler de multiples cibles moléculaires comme l’inflammation. De plus, de nombreuses études commencent à prendre en compte la biodisponibilité des polyphénols dans l’organisme et leur interaction avec le microbiote intestinal. C’est pourquoi en plus de nous intéresser à deux polyphénols issus de la Pomme-grenade, nous nous sommes intéressés à deux de leurs dérivés métaboliques. Pratiquement aucune étude ne s’était penchée sur l’effet de ces molécules dans un contexte de maladies neuro-dégénératives. Pour se faire, nous avons testé la punicalagine, l’acide ellagique, l’urolithin A et l’urolithin B sur des modèles C. elegans de la SLA et de la maladie de Huntington qui présentaient des phénotypes moteurs, de la neuro-dégénérescence et de l’inflammation. Enfin, nous avons utilisé un modèle de souris ayant subi une axotomie du nerf optique pour confirmer le pouvoir neuro-protecteur de l’urolithin A. Nos résultats ont montré que ces composés dans des proportions différentes étaient en mesure de réduire la toxicité neuronale de protéines liées à la SLA et HD et ainsi diminuer les niveaux de paralysie et de neuro-dégénérescence de nos modèles C. elegans. En parallèle, nous avons observé que cette neuro-protection se faisait au travers une diminution de l’inflammation et pour l’urolithin A une amélioration de la morphologie des mitochondries via la mitophagie. En dernier, nous avons constaté que l’urolithin A était en mesure de promouvoir la survie neuronale chez la souris à la suite d’une lésion du nerf optique. Pour conclure, cette étude par son approche in vivo de multiples maladies neuro-dégénératives renforce les preuves existantes de l’effet bénéfique de la consommation de Pomme-grenade et encourage l’utilisation pharmacologique de l’urolithin A. / Nowadays, a myriad of beneficial effects is attributed to dietary polyphenols. Most of these claims are based on in vitro studies, some in vivo studies, and almost never on clinical trials. It is increasingly realized that the interest of polyphenols does not only lie in their antioxidant power but also in their ability to target multiple molecular pathways such as inflammation. In addition, many studies are beginning to take into account the bioavailability of polyphenols in the body and their interaction with the gut microbiota. That's why in addition to two polyphenols from Pomegranate, we looked at two of their metabolic derivatives. Almost no study has examined the effect of these molecules in the context of neurodegenerative diseases. To do this, we tested punicalagin, ellagic acid, urolithin A and urolithin B on C. elegans models of ALS and Huntington's disease that had motor phenotypes, neurodegeneration and inflammation. Furthermore, we used a mouse model that underwent an axotomy of the optic nerve to confirm the neuroprotective power of urolithin A. Our results showed that these compounds in different proportions were able to reduce the neuronal toxicity of proteins. related to ALS and HD and thus decrease the levels of paralysis and neuro-degeneration of our C. elegans models. In parallel, we observed that this neuroprotection was done through a reduction of the inflammation and for urolithin A an improvement of the morphology of mitochondria via mitophagy. Lastly, we found that urolithin A was able to promote neuronal survival in mice as a result of optic nerve injury. To conclude, this study by its in vivo approach to multiple neuro-degenerative diseases reinforces existing evidence of the beneficial effect of pomegranate consumption and encourages the pharmacological use of urolithin A.

Pendant le développement du système nerveux embryonnaire, des niveaux élevés d'énergie sont nécessaires à la croissance axonale des neurones et des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) vers leurs cibles cérébrales. Cette demande énergétique entraîne une augmentation des concentrations de lactate, ligand du récepteur GPR81/HCAR1. Cependant, le rôle du lactate et de son récepteur au cours du développement du système nerveux central (CNS) a été négligé. Ce mémoire de maitrise rapporte la présence du récepteur GPR81 sur des neurones (CGR) pendant le développement embryonnaire et à l’âge adulte chez la souris. L’effet d’activation du GPR81 par manipulation pharmacologique permet de réguler la morphologie des cônes de croissance et augmente la croissance axonale des CGR sur les explants de rétine in vitro. L’utilisation de souris transgénique gpr81-/- rendant le récepteur GPR81 déficient nous a permis de confirmer ces résultats. De plus, l’injection in vivo de CTb-Alexa Fluor 555 dans l’œil gauche et de CTb-Alexa Fluor 647 dans l’œil droit a permis de visualiser les projections des CGR dans le cerveau des souris gpr81+/+ et gpr81-/-. Les souris gpr81- /- présentent une diminution dans les projections ipsilatérales des CGR dans le corps géniculé latéral dorsal (CGLd). Toutefois, l’acuité visuelle testée à l’aide du réflexe oculomoteur ainsi que la sensibilité de la rétine suivant des flashs lumineux de différentes intensités mesurée par électrorétinogrammes (ERG) n’ont pas été modifiés chez les souris gpr81-/-. Ces résultats suggèrent un rôle important du récepteur GPR81 au niveau anatomique pendant le développement du système nerveux visuel. / During the development of the embryonic nervous system, high energy levels are required for the axonal growth of neurons and retinal ganglion cell axons (RGCs) to their brain targets. This energy demand leads to an increase in the concentrations of lactate, a ligand for the GPR81 / HCAR1 receptor. However, the role of lactate and its receptor in the development of the central nervous system (CNS) has been overlooked. This manuscript reports, the presence of the GPR81 receptor on neurons (RGCs) during embryonic development and into adulthood in mice. The activating effect of GPR81 by pharmacological manipulation helps to regulate the morphology of growth cones and increases axonal growth of RGCs on retinal explants in vitro. The use of gpr81-/- transgenic mice rendering the GPR81 receptor deficient enabled us to confirm these results. In addition, in vivo injection of CTb-Alexa Fluor 555 in the left eye and CTb-Alexa Fluor 647 in the right eye made it possible to visualize the projections of RGCs in the brains of gpr81+/+ and gpr81-/- mice. The gpr81-/- mice show a decrease in ipsilateral projections of RGCs in the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN). However, the visual acuity tested by the oculomotor reflex as well as the retinal sensitivity following light flashes of different intensities measured by electroretinograms (ERGs) were not modified in gpr81-/- mice compared to the wildtypes. These results suggest an important role of the GPR81 receptor at the anatomical level during the development of the visual nervous system.

Cette dernière décennie a vu un certain nombre d'avancées significatives en mathématiques, en apprentissage computationnel et en traitement de signal, qui n'ont pas encore été pleinement exploitées en neurosciences. En particulier, l'évaluation de la connectivité dans les réseaux neuronaux peut grandement bénéficier de ces travaux. Nous proposons ici d'exploiter ces outils pour combler partiellement le fossé considérable qui existe encore entre la recherche connectomique à grande échelle (largement centrée sur des mesures indirectes de l'activité cérébrale comme l'Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)) et les mesures physiologiques plus directes de l'activité cérébrale. Il est particulièrement important de combler ce fossé pour l'étude des propriétés physiologiques associées à divers états de conscience normaux et anormaux, notamment les troubles psychiatriques, le sommeil, l'anesthésie ou les états induits par les drogues. Les travaux récents sur l'induction d'états de conscience altérés par des agonistes non sélectifs de la sérotonine, tels que la psilocybine et le Diéthyllysergamide (LSD), en sont de bons exemples. Au cours des cinq dernières années, une résurgence rapide de la recherche sur la neurobiologie des tryptamines psychédéliques s'est produite, après une interruption d'un demi-siècle. Bien que ces substances présentent un grand potentiel pour éclairer des aspects jusqu'ici non interrogés du fonctionnement normal et anormal du cerveau, l'ampleur et le caractère inhabituel des changements qu'elles provoquent posent de sérieux défis aux chercheurs. La découverte de méthodes convaincantes et évolutives pour étudier ces données est d'une grande importance si nous voulons tirer parti de la fenêtre unique que ces substances atypiques offrent sur les aspects centraux de la conscience et des fonctions cérébrales anormales. Dans la présente thèse, nous résumons l'état actuel de la neuro-imagerie électrophysiologique en ce qui concerne l'étude des tryptamines psychédéliques, et nous démontrons un certain nombre de lacunes évidentes dans la recherche électrophysiologique actuelle sur les psychédéliques. Nous offrons également quelques modestes contributions méthodologiques au domaine. L'utilité de ces contributions est soutenue par quelques résultats empiriques intrigants, bien que préliminaires. Dans le premier chapitre, nous présentons l'histoire de la recherche neuroscientifique sur le LSD. Il a été rapporté que le LSD induit des déplacements de pics dans les spectres de puissance, en même temps que des diminutions de l'amplitude des pics. Le fait que ces effets soient liés entre eux et que la plupart des recherches menées jusqu'à présent n'aient pas cherché à les distinguer est uniformément négligé dans la littérature, ce qui, selon nous, peut conduire à de fausses interprétations. Le chapitre 2 examine certains des avantages plausibles ainsi que les obstacles sérieux à la recherche sur la connectivité du cerveau entier par magnétoencéphalographie (MEG), et propose plusieurs stratégies pour surmonter ces limites méthodologiques. Celles-ci comprennent des stratégies d'imagerie de source convaincantes, des développements nouveaux et récents dans la décomposition spectrale, des mesures de connectivité insensibles à la conduction volumique, et des implémentations évolutives de métriques de couplage interfréquence bien établies. Nous montrons que ces techniques peuvent être étendues à une grille corticale et sous-corticale de plus haute résolution que celle qui existe actuellement. Nous discutons également d'une mise en œuvre allégée de statistiques non paramétriques adaptées à ces données. Le troisième chapitre a pour but de démontrer l'efficacité de ces procédures, en montrant les résultats empiriques d'une étude de la connectivité du cerveau entier sous LSD par MEG. Le quatrième et dernier chapitre discute de ces résultats, ainsi que des précautions nécessaires et des orientations futures prometteuses pour ce type de recherche. Il propose des approches computationnelles supplémentaires qui pourraient étendre la portée de ces recherches et, plus généralement, de l'électrophysiologie du cerveau entier. Dans l'ensemble, le cadre méthodologique proposé dans ce travail surmonte les limitations endémiques précédentes, non seulement dans la recherche sur les psychédéliques, mais aussi dans la recherche électrophysiologique en général, et jette une lumière nouvelle sur sur les mécanismes centraux qui sous-tendent ces états de conscience anormaux, ainsi que sur les importantes précautions à prendre dans la recherche électrophysiologique. / The past decade has seen a number of significant advances in mathematics, computational learning, and signal processing, which have yet to be deployed in neuroscience. In particular the assessment of connectivity in neural networks has much to gain from this work. Here we propose these tools be leveraged to partially bridge the considerable gap that still exists between large-scale connectomics research (largely centered around indirect measures of brain activity such as fMRI), and more direct, physiological measures of brain activity. Bridging this gap is especially important to the study of physiological properties associated with various normal and abnormal states of consciousness including Psychiatric conditions, sleep, anaesthesia or drug-induced states. Exemplary of such research, is recent work surrounding the induction of altered states of consciousness by non-selective serotonin agonists such as Psilocybin and LSD. During the past five years, a rapid resurgence of research into the neurobiology of Psychedelic tryptamines has transpired, following a half-century hiatus. While these substances hold great potential to illuminate hitherto uninterrogated aspects of normal and abnormal brain function, the scope and unusual character of the changes they illicit pose serious challenges to researchers. Uncovering cogent and scalable methods for investigating such data is a matter of great importance if we are to leverage the unique window such atypical substances provide into central aspects of consciousness and abnormal brain function. In the present thesis, we summarize the current state of electrophysiological neuroimaging as it pertains to the study of Psychedelic tryptamines, and demonstrate a number of clear shortcomings in current electrophysiological research on Psychedelics. We also offer some modest methodological contributions to the field. The utility of these contributions is supported by some intriguing, albeit preliminary, empirical findings. In the first chapter, we present the history of neuroscientific research on LSD. LSD has been reported to induce peak shifts in power spectra, alongside decreases in peak amplitude. The fact that these effects are inter-related and most research so far has not sought to disambiguate them is uniformly overlooked in the literature, which we believe may lead to false interpretations. Chapter Two discusses some of the plausible advantages as well as serious barriers to whole-brain connectivity research in MEG, proposing several strategies to overcome these methodological limitations. These include cogent source imaging strategies, novel and recent developments in spectral decomposition, connectivity measures insensitive to volume conduction, and scalable implementations of well-established cross-frequency coupling metrics. We show that these techniques can be extended to a higher resolution cortical and subcortical grid than previously shown. We also discuss a lightweight implementation of non-parametric statistics suitable to such data. Chapter Three serves to demonstrate the efficacy of these procedures, showing empirical results from a whole-brain study of connectivity under LSD in MEG. The fourth and final chapter discusses these results, as well as necessary precautions and promising future directions for this kind of research. It proposes additional computational approaches that might extend the scope of such research and whole-brain electrophysiology more generally. Taken together, the methodological framework proposed in this work overcomes previous limitations endemic not only in Psychedelics research, but electrophysiological research broadly, and sheds new light on central mechanisms underlying these abnormal states of consciousness, as well as important precautions in electrophysiological research.

La manière dont la diversité neuronale du système nerveux central est établie au cours du développement est une question d'un grand intérêt depuis plus d'un siècle. Les progéniteurs neuronaux sont contrôlés dans l'espace et dans le temps afin de générer un ensemble diversifié de neurones. Les composants moléculaires du contrôle spatial chez les vertébrés soient bien compris, mais le cadre moléculaire du contrôle temporel chez les vertébrés n’a été que peu exploré. Les travaux réalisés, au cours de la dernière décennie, sur le développement de la rétine chez la souris ont révélé l'existence de deux importants facteurs de transcription temporels (tTF). Ikzf1 confère une compétence temporelle précoce alors que Casz1 confère une compétence temporelle tardive aux cellules progénitrices de la rétine (RPC) des mammifères. Cependant, sur les sept types cellulaires présents dans la rétine, ces tTFs ne régulent pas la capacité de générer les cônes nés précocement ni pour les cellules gliales de Müller nées tardivement, suggérant la présence d'autres tTFs non identifiés. L'objectif principal de cette thèse a été de découvrir les mécanismes moléculaires contrôlant la production des cônes au cours de la rétinogenèse précoce ainsi que la production tardive des cellules gliales de Müller. Dans cette thèse, Pou2f1 a été découvert comme un tTF qui confère aux RPCs une compétence temporelle à générer des cônes. Pou2f1 active l'expression de Pou2f2, qui permet ensuite de favoriser la production de cônes en réprimant l’expression du facteur de transcription Nrl. Ikzf1 active l'expression de Pou2f1 dans les RPC alors que Pou2f1 réprime le tTF tardif Casz1, suggérant une boucle d'autorégulation transcriptionnelle entre ces différents tTF. De plus, Ikzf4, un autre membre de la famille Ikzf, s'est avéré important pour la spécification des cônes et des cellules gliales de Müller. Ikzf4 active l’expression de Pou2f1/Pou2f2 lorsqu'il est surexprimé dans des RPC tardifs, suggérant qu’il permet la production de cônes en activant directement l’expression de Pou2f1/Pou2f2. Ikzf4 était également lié à de nombreux gènes de la voie de signalisation de Notch, qui sont impliqués dans la production de cellules gliales de Müller au cours de la rétinogenèse. Ce travail établi des bases pouvant inspirer de futures études dans d'autres parties du SNC, où des tTF similaires pourraient aussi contrôler la production de différents types cellulaires en fonction du temps. Enfin, cette thèse propose de nouveaux tTF comme outils thérapeutiques pour améliorer l’efficacité de production des cônes à partir de cellules souches. / How neural diversity is established in the developing central nervous system has been a question of great interest for more than a century. Neural progenitors are spatially and temporally patterned to generate a diverse set of neurons. Although molecular components of spatial patterning in vertebrates are well understood, the molecular framework behind temporal patterning in vertebrates has been largely unexplored. Work done in the past decade on mouse retinal development has revealed insights on how temporal patterning could be established in the CNS. Retinal neurons and glia are born in a sequential but overlapping manner from a pool of multipotent retinal progenitor cells (RPCs), consisting of an early embryonic and late post-natal window of cell birth. Two temporal transcription factors (tTFs), Ikzf1 and Casz1, confer early and late temporal competence to retinal progenitor cells (RPCs), respectively. However, out of the seven cell types in the retina, these tTFs do not regulate the competence for early born cones and late born Müller glia, suggesting the presence of other unidentified tTFs. The prime goal of this thesis was to uncover the molecular mechanisms controlling cone specification during early, and Müller glia specification during late retinal development. In this thesis, Pou2f1 was discovered as a novel tTF that confers temporal competence to RPCs to generate cones. Pou2f1 activates Pou2f2, which binds to the promoter of Nrl, a key rod specification gene, and represses its expression. Early tTF Ikzf1 activates Pou2f1, whereas Pou2f1 represses late tTF Casz1 in RPCs. Additionally, Ikzf4 was discovered as an important regulator of cone specification early, and Müller glia specification late during retinal development. Ikzf4 binds to genomic regions near Pou2f1/Pou2f2 gene bodies and activates their expression during early retinogenesis. During late retinogenesis, Ikzf4 binds to promoters of Notch signaling genes and activates their expression to promote Müller glia differentiation. Taken together, these results reveal important insights on how cone and Müller glia production is temporally controlled during early and late retinogenesis. This work lays the groundwork for future studies in other parts of the developing CNS that could employ similar tTFs for temporal patterning. Finally, this thesis proposes novel tTFs as therapeutic tools to efficiently generate cones from ESC-derived retinal organoids and sheets.

Les neurones dopaminergiques (DAergiques) de l’aire tegmentaire ventrale (ATV) et de la substance noire compacte (SNc) sont impliqués dans de nombreuses fonctions physiologiques telles que la motivation, la récompense, l’apprentissage ou encore le contrôle du mouvement volontaire. Ces neurones sont également connus pour être perturbés dans plusieurs grandes maladies du cerveau telles que la schizophrénie, les maladies associées aux drogues d’abus ou dans la maladie de Parkinson. Des études in vivo ont démontré que la structure des terminaisons axonales DAergiques pouvait être de type « synaptique » et « non-synaptique ». Ces terminaisons dites « non-synaptiques », dépourvues de toute apposition avec un domaine membranaire postsynaptique, semblent représenter la grande majorité des terminaisons axonales établies par les neurones DAergiques. De façon intéressante, certaines des terminaisons synaptiques ont quant à elles, la capacité de co-libérer du glutamate ou du GABA. D’une façon générale, la formation et le maintien des synapses fait intervenir des protéines d’adhésion cellulaire dont les plus courantes sont les neurexines (Nrxn) et les neuroligines (Nlgn). Au niveau présynaptique, ces molécules d’adhésion interagissent avec des protéines de la zone active qui sont impliquées dans la régulation de l’exocytose. Parmi elles, on retrouve RIM1/2, Piccolo/Bassoon, ELKS ou encore Munc-13. Du côté postsynaptique, ces protéines d’adhésion cellulaire interagissent directement avec les protéines d’échafaudages telles que PSD95 ou Géphyrine. Mes travaux de doctorat ont consisté dans un premier temps à caractériser de façon exhaustive les terminaisons axonales établies par les neurones DAergiques. La proportion et la structure moléculaire des terminaisons synaptiques et non-synaptiques ont ainsi été évaluées. Dans un premier article, via l’utilisation d’un système in vitro, nous avons démontré qu’une minorité des terminaisons DAergiques (20%) était de nature synaptique, une proportion totalement différente lorsque comparée avec les neurones glutamatergique ou GABAergiques, dont les terminaisons synaptiques sont très fortement majoritaires (80%). De façon intéressante, la protéine de ZA Bassoon a été retrouvée majoritairement au sein des terminaisons synaptiques suggérant une différence de structure avec les terminaisons non-synaptiques. Finalement, au niveau du mécanisme de formation des synapses, nous avons mis en évidence que la surexpression de la protéine présynaptique Nrxn-1SS4- dans les neurones DAergiques permet d’augmenter la proportion de terminaisons synaptiques alors que la surexpression de la Nlgn-1AB est, quant à elle, capable d’induire une différentiation présynaptique DAergique. Dans un second article, nous avons voulu investiguer plus en détails le rôle des Nrxn dans la synaptogénèse DAergique. Pour ce faire, nous avons pris avantage d’un modèle animal totalement inédit mais absolument fascinant où nous avons évalué l’impact d’une délétion conditionnelle de l’ensemble des Nrxn sur la connectivité DAergique. Dans cette étude nous avons démontré que la densité de synapses excitatrices et inhibitrices établies par les neurones DAergiques n’était pas affectée chez les souris DAT::NrxnsKO et ce en comparaison des animaux de souche sauvage. Dans un deuxième temps, via des enregistrements électrophysiologiques, nous avons évalué la neurotransmission excitatrice et inhibitrice établie par les neurones DAergiques. Les résultats n’ont pas révélé de changement dans la neurotransmission excitatrice mais ont curieusement révélé un renforcement de l’activité synaptique inhibitrice chez les animaux Nrxn DAT::NrxnsKO et ce par rapport aux animaux du groupe contrôle. Finalement, via la mise en place de tests comportementaux, nous avons pu observer que les animaux DAT::NrxnsKO avaient une capacité d’apprentissage et de locomotion identique aux animaux de souche sauvage, cependant, une stimulation pharmacologique du système DAergique par l’amphétamine a révélé d’une diminution significative de la locomotion chez les souris DAT::NrxnsKO, pouvant refléter une baisse de la neurotransmission DAergique en condition non physiologique. Ces travaux de doctorat amènent pour la première fois une nouvelle vision sur la capacité des neurones DAergiques à établir une arborisation axonale majoritairement non-synaptique. Cette thèse démontre que les neurones DA du mésencéphale ont un programme intrinsèque de développement de leur arborisation axonale qui est différent des neurones GABAergiques du striatum et glutamatergiques du cortex. Aussi, au travers de ces travaux, nous montrons clairement que des protéines aussi fondamentales que les Nrxn et les Nlgn ont un impact limité dans la formation, le maintien et le fonctionnement des synapses établies par les neurones DAergiques. / Dopamine (DA) neurons from the substantia nigra compacta (SNc) and ventral tegmental area (VTA) are key players of the neuronal circuitry regulating movement initiation, reward and learning. Their functioning and survival are also perturbed in diseases such as schizophrenia, drug abuse and Parkinson’s. The axonal connectivity of DA neurons is particularly intriguing due to the hyperdense nature of the axonal arbor of these neurons, containing a very large number of neurotransmitter release sites. Ultrastructural examination of the axon terminals established by DA neurons failed to identify a tight pre- and postsynaptic coupling at most of release sites, giving rise to the concept of non-synaptic terminals and “diffuse” or volume transmission. Furthermore, it is now well established that a subset of terminals established by DA terminals has the capacity to release other neurotransmitters such a glutamate and GABA. A large literature implicates trans-synaptic proteins including neurexins (Nrxns) and neuroligins (Nlgns) in the development of synaptic contacts. In the presynaptic compartment, these cell adhesion molecules interact with active zone proteins like RIM1/2, Bassoon, ELKS and Munc-13 involved in regulating exocytosis. In the postsynaptic compartment, these cell adhesion molecules closely interact with scaffolding proteins like PSD95 or Gephyrin. In this thesis work, we first performed an exhaustive characterization of axon terminals established by DA neurons in primary co-culture system. We evaluated the proportion and the molecular structure of synaptic and non-synaptic terminals established by VTA and SNc DA neurons. In our first article, using and efficient in vitro system, we demonstrated that DA neurons develop a small proportion of synaptic terminals that is strikingly lower compared to glutamatergic and GABAergic neurons. Interestingly, we discovered that the active zone protein Bassoon is mainly expressed in DA terminals that are in contact or in close proximity to a target cell, and less expressed in non-synaptic DA terminals. Finally, we found that overexpression of Nrxn-1SS4- in DA neurons leads to an increase in the proportion of synapses whereas, overexpression of Nlgn-1A+B is able to trigger a DA presynaptic differentiation of DA neurons, suggesting a key role for these transsynaptic proteins in synapse formation by DA neurons. In a second article, we studied more globally the role of Nrxns proteins in the formation of synapses by DA neurons. We took advantage of a recently introduced triple conditional Nrxn mouse line to selectively delete Nrxns in DA neurons and examine the impact of this gene inactivation on the connectivity of DA neurons. In this part we demonstrated that the density of excitatory and inhibitory synapses density established by DA neurons is not affected by the deletion of all Nrxns, in comparison to the wild type group and does not impair the basic development and axonal connectivity of DA neurons at least, in vitro. In a second set of experiments, using patch-clamp recordings, we evaluated the function of excitatory and inhibitory synapses established by DA neurons in the striatum. GABA and glutamate synaptic currents evoked in the striatal medium spiny neurons by optogenetic stimulation of DA neuron axons revealed that glutamate release was unchanged, but identified a strong tendency for enhanced GABA co-release. Furthermore, using fast scan cyclic voltammetry, we found that the loss of Nrxns was associated with impaired DA transmission in the brain of adult mice, revealed by a reduced rate of DA reuptake after electrically-evoked DA release and with impaired amphetamine-induced locomotion. With this thesis, we bring a new perspective on the capacity of DA neurons to develop an axonal arborization that is mainly non-synaptic. With this work, we provide strong evidence arguing that mesencephalic DA neurons are endowed with an intrinsic developmental program leading them to develop an axonal connectivity that is very different from striatal GABA neurons or cortical glutamate neurons. Ours findings suggest that although Nrxns and Nlgns are unlikely to be the main determinants of on the formation of synapses by DA neurons, that are likely to act as key regulators of DA and GABA signaling by these.

La recherche sur la maladie d’Alzheimer (MA) est concentrée, en grande partie, sur l’étude de ses principales caractéristiques histologiques, les plaques β-amyloïdes (Aβ) et les enchevêtrements neurofibrillaires. Cependant, les thérapies ciblant directement ces caractéristiques n’empêchent pas la progression de la MA. En plus de ces caractéristiques, la génétique a mis en évidence l’implication du métabolisme des lipides et de la réponse immunitaire dans la MA. Les perturbations du métabolisme lipidique est le prédicteur génétique le plus puissant du développement de la MA, mais ses mécanismes restent un mystère. Des travaux récents dans notre laboratoire ont montré que les triglycérides s’accumulent dans le cerveau des patients atteints de MA et des souris 3xTg, un modèle murin de la MA. Chez les souris 3xTg, ces triglycérides sont enrichis en acide oléique (AO), un acide gras monoinsaturé, et l’inhibition de l’enzyme de synthèse de l’AO, le stéaryle-CoA désaturase (SCD), réduit leur accumulation et contrecarre la perte précoce de la neurogenèse hippocampique et les troubles de mémoire. Nous avons donc testé si l’inhibition de la SCD peut inverser les changements dans le transcriptome et rétablir la fonction de l’hippocampe chez les souris 3xTg symptomatiques. En comparant aux souris contrôles, l’hippocampe de souris 3xTg possède des altérations transcriptomiques impliquées dans les processus reconnus pour être perturbés dans la MA. Leur hippocampe a également montré une baisse significative des épines dendritiques. De manière remarquable, les données de séquençage de l’ARN montrent que le traitement des souris 3xTg pendant un mois avec un inhibiteur de la SCD a sauvé des gènes liés à l’immunité et aux synapses. Les analyses tissulaires ont révélé que ce traitement a conduit à des améliorations de la densité des épines dendritiques. Nous avons également établi un modèle de microglie en culture et nos données préliminaires suggèrent que les oligomères Aβ pourrait être responsable de perturbations du métabolisme des lipides chez les microglies. En somme, ces études soulignent le potentiel d’un nouveau médicament ciblant SCD pour le traitement de la MA. / Alzheimer’s disease (AD) research has mainly focused on studying its main histological hallmarks, β-amyloid (Aβ) plaques, and neurofibrillary tangles. However, therapies directly targeting these hallmarks do not prevent AD progression. In addition to these hallmarks, genetics have highlighted the implication of lipid metabolism and immunity in AD. Disturbances in lipid metabolism are the single strongest genetic predictor of developing AD, but the underlying mechanisms remain poorly understood. Recent work in our laboratory showed that triglycerides accumulate in the brains of both AD patients and 3xTg mice, a mouse model of AD. In 3xTg mice, these triglycerides are enriched with monounsaturated fatty acid oleic acid (OA), and the inhibition of the OAsynthesizing enzyme stearoyl-CoA desaturase (SCD) reduced their accumulation and counteracts the early loss of hippocampal neurogenesis and memory deficits. Here, we tested whether SCD inhibition can reverse changes in the transcriptome and rescue hippocampal function in symptomatic 3xTg mice. Compared to their strain controls, the hippocampus of middle-aged, preplaque 3xTg mice showed transcriptomic alterations involved in processes recognized to be disrupted in AD. Their hippocampus also displayed significant reduction in dendritic spines. Remarkably, RNA sequencing data show that treatment of middle-aged 3xTg mice for one month with an SCD inhibitor rescued genes related to immunity and synapses. Tissue analyses revealed that this treatment led to improvements in dendritic spine density. We also established a model of microglia in culture and our preliminary data suggest that Aβ oligomers may be responsible for disruptions in microglial lipid metabolism. Together, these studies shed light on the potential of a novel drug target SCD for the treatment of AD.

Contexte : Les benzodiazépines (BZD) et substances apparentées sont consommées de façon chronique par une large proportion de la population de personnes âgées souffrant d’insomnie chronique. Cet usage dans cette population est cependant critiqué, pour le risque d’effets indésirables associés. La thérapie cognitivo-comportementale pour insomnie (TCC-I) constitue le traitement de première ligne pour lutter contre l’insomnie, en raison de son efficacité et de son innocuité. Objectif : L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer les changements de la qualité du sommeil, de la macroarchitecture et de la microarchitecture du sommeil après un sevrage de BZD chez la personne âgée souffrant d’insomnie chronique. Nous étudierons par la suite l’effet de la TCC-I couplé au sevrage sur les mêmes variables d’intérêts. Nous faisons l’hypothèse que le sevrage s’accompagnera d’une amélioration de la qualité subjective du sommeil (diminution de l’Index de Sévérité de l’Insomnie (ISI) et augmentation de l’efficacité de sommeil (SE)) et d’une modification de certaines variables distinctes : fuseau de sommeil et stade N3 (augmentation du pourcentage au stade N3 et diminution de la densité des fuseaux de sommeil). De plus, nous faisons l’hypothèse que ces changements seront plus prononcés avec la TCC-I couplée au sevrage. Méthodes : 41 participants (âge moyen : 69.39±6.88 ans) ont été randomisés en 2 groupes, stratifiés pour l’âge, la durée et la dose de BZD et apparentés consommés : le groupe sevrage+TCC-I (N=23) et le groupe sevrage (N=18). L’ensemble des participants complètent un plan de sevrage avec suivi de 16 semaines, et dans le même temps, uniquement le groupe sevrage+TCC-I reçoit la TCC-I. L’acquisition des données est réalisée avant et après sevrage à partir de questionnaire (ISI), agenda de sommeil (SE) sur une période de 14 jours, et par enregistrements polysomnographiques (stade N3 et densité des fuseaux de sommeil). Résultats : 60.98% des participants (groupe sevrage+TCC-I: 60.87% ; groupe sevrage: 61.11%) ont réussi une cessation complète de leurs médications après sevrage. Il a été constaté une diminution de l’ISI (F(1,40)=4.36, p=0.01) et de la densité des fuseaux de sommeil (F(1,36)=7.18, p=0.01) après sevrage. Enfin, la TCC-I couplée au sevrage a montré une augmentation plus importante de la SE (F(1,35)=6.75, p=0.01) par rapport au groupe sevrage. Conclusion : Le plan de sevrage avec suivi permet d’obtenir un sevrage complet chez une majorité de participants, sans qu’il ne soit observé d’aggravations significatives de leur qualité de sommeil. L’ajout d’une TCC-I lors d’un sevrage de BZD et apparentés a permis une amélioration plus importante de la qualité du sommeil auto-rapportée (Agenda de sommeil : SE). / Background: Benzodiazepines (BZD) and related drugs are consumed chronically by a large part of the elderly population with chronic insomnia. However, this use in this population is criticized for the risk of associated side effects. Cognitive behavioral therapy for insomnia (CBT-I) is the first-line treatment for insomnia because of its efficacy and safety. Objective: The objective of this project is to assess changes in sleep quality, macroarchitecture and sleep microarchitecture after withdrawal from BZD in the elderly with chronic insomnia. Then, we study the effect of CBT-I coupled with withdrawal on the same variables of interest. We hypothesize that weaning will be accompanied by an improvement in the subjective sleep quality (decrease in Insomnia Severity Index (ISI) and increase in sleep efficiency (SE)) and a modification of certain distinct variables: sleep spindle and stage N3 (increase in the percentage at stage N3 and decrease in the density of sleep spindles). In addition, we hypothesize that these changes will be more pronounced with CBT-I coupled with weaning. Methods: 41 participants (mean age: 69.39 ± 6.88 years) were randomized into 2 groups; stratified for age, duration and dose of BZD and relatives consumed: the weaning+CBT-I group (N = 23) and the weaning group (N = 18). All participants complete a 16-week weaning plan with follow-up, and at the same time, only the therapy group receives CBT-I. Data acquisition is carried out before and after weaning from questionnaire (ISI), sleep diary (SE) over a period of 14 days, and by polysomnographic recordings (stage N3 and density of sleep spindles). Results: 60.98% of participants (weaning+CBT-I group: 60.87%; weaning group: 61.11%) succeeded in completely stopping their medication after withdrawal. A decrease in ISI (F(1.40) = 4.36, p = 0.04) and in sleep spindle density (F(1.36) = 7.18, p = 0.01) was observed after weaning. Finally, CBT-I coupled with weaning showed a greater increase in SE (Sleep Diary; F(1.35) = 6.75, p = 0.01) compared to the control group. Conclusion: The weaning plan with follow-up makes it possible to obtain complete weaning in a majority of participants, without any significant worsening of their quality of sleep being observed. The addition of CBT-I during withdrawal from BZD and related products resulted in a greater improvement in self-reported sleep quality (Sleep Diary: SE).

Les neurones dopaminergiques (DA) du mésencéphale jouent un rôle clé dans le contrôle moteur, les comportements motivés et la cognition. Les neurones dopaminergiques peuvent libérer la DA non seulement à partir de leurs terminaisons axonales, mais également à partir de leur compartiment somatodendritique (STD). Une partie de cette libération dépend de l’activité électrique des neurones (libération phasique de DA), de l’influx de calcium et de l’activation de senseurs calciques, tandis que d’autres formes de libération impliquent l’activation locale d’afférences synaptiques en provenance d’autres neurones ou survient de manière spontanée. Les mécanismes et rôles physiologiques de ces différentes formes de libération sont encore méconnus. Dans cette thèse, je me suis intéressé spécifiquement à la libération phasique de dopamine et au rôle joué par les senseurs calciques régulateurs de l’exocytose de la famille des synaptotagmines (Syts). En utilisant des modèles in vivo de souris knock-out de certaines isoformes de cette famille, j’ai ainsi démontré que Syt1 est la principale isoforme impliquée dans la libération phasique de dopamine au niveau des terminaisons axonales, tandis que les isoformes Syt4 et Syt7 jouent un rôle plus spécifique dans la libération au niveau du soma et des dendrites. La souris Syt1 cKODA a par ailleurs révélé l’exceptionnelle résilience de certaines fonctions dopamino-dépendantes, notamment dans le contrôle de la locomotion spontanée et induites par des drogues, qui sont surprenamment conservées dans un contexte de quasi-abolition de la libération phasique de DA. Des adaptations importantes du système DA ont été observées chez les souris Syt1 cKO et sont comparables à celles observées dans les stages précoces de la maladie de Parkinson. Ces travaux apportent ainsi un nouvel éclairage sur pourquoi une perte drastique de l’innervation dopaminergique est requise pour aboutir aux symptômes moteurs typiques de cette maladie. Ils apportent également de nouvelles perspectives et modèles à l’étude des mécanismes et fonctions de la libération tonique (spontanée) de DA dans le cerveau. / Dopaminergic (DA) neurons in the midbrain play a key role in motor control, motivated behaviors and cognition. Dopaminergic neurons can release DA not only from axon terminals, but also from their somatodendritic compartment (STD). Part of this release depends on electrical activity (phasic release of DA), calcium influx and activation of calcium sensors, while other forms of release involve local activation of synaptic inputs from other neurons or occurs spontaneously. The mechanisms and physiological roles of these different forms of release are still poorly understood. In this thesis, I focused on the phasic release of DA and the role played by calcium sensors from the synaptotagmin (Syt) family regulating exocytosis. By using in vivo knockout mouse models of isoforms from this family, I demonstrated that Syt1 is the main calcium sensor involved in phasic DA release at axonal endings, while the Syt4 and Syt7 isoforms play a more specific role in the release at the level of the soma and dendrites. Syt1 cKODA model also revealed the exceptional resilience of certain DA-dependent functions such as spontaneous and drug-induced locomotion, which are surprisingly preserved in a context of a near abolition of phasic DA release. Important adaptations in the DA system were observed in Syt1 cKO mice and are comparable to those seen at early stages of Parkinson's disease. This work thus sheds new light on why a drastic loss of dopaminergic innervation is required to lead to the motor symptoms typical of this disease. They also bring new perspectives and models to the study of the mechanisms and functions of tonic (spontaneous) DA release in the brain.

Les variations du nombre de copies (i.e., VNC, perte ou gain de matériel génétique de plus de 1 kilobase) figurent parmi les facteurs biologiques les plus associés aux troubles neurodéveloppementaux (TNDs), tels que les troubles du spectre autistique (TSAs) ou la psychose précoce. Les variants génétiques classés comme pathogéniques sont identifiés chez environ 20% des enfants avec des symptômes de TSA référés en génétique clinique. Actuellement, seules les VNCs les plus récurrentes (i.e., plusieurs individus non apparentés ont le même variant) ont été associées avec les TSAs et leurs tailles d’effets ont pu être décrites avec précision grâce à des études d'associations (i.e., cas-contrôles). Cependant, la plupart des VNCs identifiées dans les cliniques neurodéveloppementales et génétiques sont ultra-rares. À ma connaissance, aucune méthode n’a été développée afin d’estimer et de prédire de façon précise la contribution de tels variants aux phénotypes cliniques. De ce fait, l’impact de ces variants ultra-rares sur les risques d'avoir des TNDs, comme les TSAs ou la psychose précoce, reste incertain. Une étude récente de mon groupe de recherche a démontré que les tailles d'effet des délétions et duplications à travers le génome sur les capacités cognitives pouvaient être prédites statistiquement avec 78% de précision en utilisant des mesures d'intolérance à la perte de fonction. Le but de cette thèse est de développer des modèles similaires pour définir les tailles d'effet des VNCs à travers le génome sur les risques de TSA et de psychose précoce, ainsi que sur quelques traits cognitifs et comportementaux affectés dans ces troubles. J’ai analysé tous les VNCs ≥ 50 kilobases identifiées via les données de puces de génotypage et de séquençage sur génome entier chez 137 enfants et adolescents avec une psychose précoce (Boston Children’s hospital), 5,540 probands avec des TSAs (Simons Simplex Collection et MSSNG), et 17,471 personnes de la population générale (Lothian birth cohort, Generation Scotland, IMAGEN et Saguenay Youth Study). Les gènes codants totalement compris dans les VNCs ont été annotés avec neufs variables quantitatives, incluant le score d’intolérance à la perte de fonction et d’autres scores fonctionnels et génétiques. Des modèles statistiques incluant ces scores ont été testés afin de sélectionner celui qui explique le mieux l’effet des VNCs à travers le génome sur le risque de TSA et le quotient intellectuel (QI). Le meilleur modèle a été utilisé par la suite pour investiguer les tailles d’effets des VNCs sur d’autres traits cognitifs et comportementaux liés aux TSAs, ainsi que sur le risque de psychose précoce. Le score d’intolérance à la perte de fonction expliquait le mieux les effets des VNCs sur le risque de TSA et la cognition générale. Les modèles incluant ces scores ont démontré que les délétions et les duplications augmentaient les risques de psychose précoce et de TSA, même après ajustement pour le QI. Il n’y avait aucune différence de tailles d’effets des VNCs entre la psychose précoce et le TSA. La fréquence de loci associé précédemment avec des TNDs et des troubles neuropsychiatriques était également similaire entre dans les TSA et la psychose précoce, et le modèle estimait précisément la taille d'effet de la plupart de ces loci sur le risque de TSA en comparaison aux observation empiriques publiées précédemment. Les CNVs à travers le génome mesurés par le score d’intolérance à la perte de fonction diminuaient de façon similaire le QI dans les populations TSA et générale. Les effets des duplications étaient systématiquement plus faibles que les effets des délétions pour chacun de ces phénotypes, ce qui suggère un effet plus pathogénique des délétions. Les délétions et les duplications affectaient différentiellement la communication sociale, les comportements, et la mémoire phonologique, tandis qu'elles affectaient similairement les capacités motrices dans les populations TSA. L'enrichissement similaire des VNCs à travers le génome dans la psychose précoce et le TSA suggère un effet pléiotropique des VNCs dans ces différentes symptomatologies. Le dépistage routinier pour les VNCs doit être accessible dans les soins cliniques standards des jeunes avec une psychose précoce, comme il est recommandé pour les TSAs. Une telle pratique contribue à établir une médecine personnalisée et peut apporter des bénéfices médicaux comme la détection de comorbidités, la prédiction de la progression de la maladie, et faciliter la communication avec les parents à propos de la nature biologique du trouble. Les modèles appliqués dans ce projet, entraînés sur des VNCs incluant plus de 4,500 gènes, suggèrent des propriétés hautement polygéniques du dosage génique dans les TNDs. J’ai estimé que chaque VNC de 1 mégabase, incluant au moins un gène scorant pour l’intolérance à la perte de fonction, augmente le risque de TSA. La combinaison de ces résultats ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension des effets des VNCs à travers le génome sur les TNDs et les traits associés (e.g., QI ou symptômes comportementaux). Ces modèles ont été implémentés dans un outil en ligne qui a pour but d'aider les cliniciens à estimer les tailles d’effet des VNCs identifiés en clinique et à interpréter leur contribution au phénotype du patient. / Copy number variants (CNVs; i.e., loss or gain of genetic material of over 1 kilobase) are robustly associated with neurodevelopmental disorders (NDDs), such as autism spectrum disorder (ASD) and early-onset psychosis (EOP). Genetic variants classified as pathogenic are identified in approximately 20% of children with ASD symptoms referred to genetic clinics. To date, only the most recurrent CNVs (i.e., similar variants across multiple unrelated individuals) were associated with ASD and their effect-sizes were characterized through association studies (i.e., case-controls). However, most of the CNVs routinely identified in neurodevelopmental and genetic clinics are ultra-rare. To my knowledge, no method was developed to accurately estimate and predict the contribution of such variants to clinical phenotypes. Therefore, the impact of these ultra-rare variants on risk for NDDs, such as ASD and EOP, remains undocumented. A recent study from my research group has shown that the effect-size of genome-wide deletions and duplications on cognitive ability can be statistically predicted with an 78% accuracy using measures of loss-of-function (LoF) intolerance. The aim of this thesis was to develop similar models to define the effect-size of genome-wide CNVs on ASD and EOP risk, as well as on several cognitive and behavioral traits altered in these disorders. I analyzed all CNVs ≥ 50 kilobases called from genotyping arrays and whole genome sequencing data from 137 children and adolescents with EOP (Boston Children’s hospital), 5,540 probands with ASD (Simons Simplex Collection and MSSNG), and 17,471 individuals from unselected populations (Lothian birth cohort, Generation Scotland, IMAGEN and Saguenay Youth Study). Coding genes fully encompassed by CNVs were annotated with nine quantitative variables, including the LoF intolerance score and other functional and genetic scores. Statistical models including these scores were tested to select the one that best explained the effects of genome-wide CNVs on ASD risk and IQ. The best model was subsequently used to investigate the effect-size of genome-wide CNVs on cognitive and behavioral domains related to ASD, as well as on EOP risk. The LoF intolerance score best explained the effect-sizes of genome-wide CNVs on ASD-risk and general cognition. Models including such scores demonstrated that deletions or duplications increased risks for EOP and for ASD, even after adjusting for IQ. There was no difference in effect-sizes between EOP and ASD. The frequency of loci previously associated with NDDs or neuropsychiatric disorders was also similar between EOP and ASD, and the model accurately estimated the effect-size of most of these loci on the risk for ASD comparing to previously published empirical observations. Genome-wide CNVs measured by LoF intolerance score also similarly decreased IQ in both ASD and unselected populations. The effect of duplications was smaller than the effect of deletion for all phenotypes investigated, suggesting a higher pathogenicity of deletions. Deletions and duplications were found to differentially affect social communication, behavior, and phonological memory, whereas both equally affected motor skills in the ASD population. The identical enrichment of genome-wide CNVs in EOP and ASD suggests a pleiotropic effect of CNVs in these different symptomatology. Routine screening for CNVs should be made available in the standard clinical care for EOP youth, as is recommended in ASD. Such practice contributes to the establishment of personalized medicine and may bring medical benefits as detecting medical comorbidities, prediction of the disease progression, and facilitating the communication with parents about the biological nature of the disorder. The models applied in this project, trained on CNVs encompassing more than 4,500 genes, suggest highly polygenic properties of gene dosage in NDDs. I estimated that any 1 megabase CNV, encompassing at least one gene scoring for intolerance to LoF, would increase ASD risk. Overall, these results open new avenues for understanding the effect of genome-wide CNVs on NDD risk and related traits (e.g., IQ or behavioral symptoms). These models were implemented in an online tool which aims to help clinicians estimate the effect-size of CNVs identified in the clinic and interpret their contribution to the patient’s phenotype.