La potentialisation synaptique dans les neurones d'hippocampes repose sur l'activation du récepteur NMDA (NMDAR) et l'influx de Ca²⁺. Des changements dans le Ca²⁺ cytosolique sont détectés par des effecteurs tels que la calpaïne et la protéine kinase II Ca²⁺/calmoduline-dépendante (CaMKII), transformant ces informations en signaux qui induisent une potentialisation synaptique. Une fois activée par l'influx de Ca²⁺, la calpaïne clive de nombreuses protéines cytosoliques, récepteurs et protéines d'échafaudage, remodelant ainsi la structure synaptique, ainsi que l'activité et/ou la dynamique de nombreuses protéines. Le rôle de la calpaïne au cours du processus de plasticité synaptique a été documenté, mais le mécanisme moléculaire est loin d'être clair. Dans cette étude, nous avons examiné le lien possible entre la calpaïne et CaMKII dans la médiation de la potentialisation à long terme (LTP). Nous avons utilisé des inhibiteurs pharmacologiques de la calpaïne pour interférer avec son activation lors de la potentialisation synaptique induite chimiquement dans des cultures dissociées d'hippocampe de rat. Nous avons d'abord confirmé que l'activité de la calpaïne est essentielle pour l'induction de la LTP dans les cultures neuronales dissociées. Nous montrons que l'activité de la calpaïne est essentielle pour de nombreux processus moléculaires importants pour la LTP. L'inhibition de l'activité de la calpaïne a bloqué la phosphorylation de ERK et l'insertion des récepteurs synaptiques AMPA; deux processus régulés par CaMKII impliqués dans la potentialisation synaptique. De plus, nous montrons que la calpaïne est essentielle pour l'autophosphorylation de CaMKII en utilisant un anticorps contre pCaMKII (Thr286). En mesurant le temps de vie par fluorescence (FLIM) avec un capteur basé sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET) (Camui) de l'activation de CaMKII, nous montrons que l'inhibition de la calpaïne empêche le changement dépendant de l'activité de la conformation de l'holoenzyme CaMKII et donc l'activation de la kinase. Nous avons aussi utilisé l'imagerie time-lapse et avons découvert que la translocation CaMKII post-synaptique dépendante de l'activité est diminuée par les inhibiteurs de la calpaïne. De plus, nous avons mesuré les taux de diffusion de CaMKII par SPT-PALM en utilisant CaMKII-meos2 et les résultats indiquent que l'inhibition de la calpaïne empêche la diminution dépendante de l'activité de la mobilité de l'holoenzyme. Nos résultats montrent clairement que les inhibiteurs de la calpaïne affectent la dynamique de CaMKII. Cela suggère que la calpaïne affecte directement CaMKII ou agit en amont de CaMKII. En effectuant des expériences dans des cellules HEK qui n'ont pas de CaMKII endogène, nous avons démontré que la calpaïne n'affecte pas directement CaMKII. Nous avons émis l'hypothèse que la calpaïne joue un rôle dans le processus de plasticité en amont de CaMKII. Nous avons étudié l'influx Ca²⁺ dépendant de l'activité en utilisant l'imagerie GCaMP6 et nos résultats indiquent que l'activité de la calpaïne est essentielle pour cette l'augmentation de Ca²⁺. En disséquant davantage la voie de signalisation, utilisant différents protocoles de stimulation (dépolarisation synaptique ou globale), nous montrons que la calpaïne affecte l'afflux de Ca²⁺ dépendant de NMDA et non l'influx de Ca²⁺ dépendant de la dépolarisation. Ainsi, notre étude montre que la calpaïne joue un rôle essentiel dans la LTP d'une manière dépendante du NMDAR et que l'inhibition de la calpaïne interfère dans les premières étapes de la signalisation médiée par le Ca²⁺ conduisant à l'induction du LTP. En discutant de ces résultats, nous fournissons des résultats préliminaires qui peuvent nous éclairer au niveau de l'impact de l'inhibition pharmacologique de la calpaïne sur la fonction des récepteurs NMDA. / Synaptic potentiation in hippocampal neurons relies on NMDA receptor (NMDAR) activation and Ca²⁺ influx. Changes in cytosolic Ca²⁺ are detected by effectors such as calpain and Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), transforming this information into signals inducing synaptic potentiation. Once activated by Ca²⁺ influx, calpain cleaves many cytosolic proteins, receptors, and scaffolding proteins, thereby remodeling the synaptic structure, as well as the activity and/or dynamics of many proteins. The role of calpain during the synaptic plasticity process has been documented, but the molecular mechanism is far from clear. In this study, we examined the possible link between calpain and CaMKII in the mediation of Long Term Potentiation (LTP). We used pharmacological inhibitors of calpain to interfere with its activation during chemically induced synaptic potentiation in rat hippocampal dissociated cultures. We first confirmed that calpain activity is essential for LTP induction in dissociated neuronal cultures. We show that calpain activity is essential for many molecular processes important for LTP. Inhibition of calpain activity blocked ERK phosphorylation and insertion of synaptic AMPA receptors - two CaMKII-regulated processes involved in synaptic potentiation. Further, we show that calpain is essential for CaMKII autophosphorylation by using an antibody against pCaMKII (Thr286). By performing Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) with a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensor (Camui) of CaMKII activation, we show that calpain inhibition prevents activity-dependent change in the conformation of the CaMKII holoenzyme and thus the activation of the kinase. We further used time-lapse imaging and found that activity-dependent post-synaptic CaMKII translocation is decreased by calpain inhibitors. Furthermore, we measured diffusion rates of CaMKII by SPT-PALM using CaMKII-meos2 and the results indicate that calpain inhibition prevents the activity-dependent decrease in the mobility of the holoenzyme. Our results clearly show that calpain inhibitors affect CaMKII dynamics. This suggests that either calpain affects CaMKII directly or is upstream to CaMKII. By performing experiments in HEK cells that do not have endogenous CaMKII, we demonstrated that calpain does not affect CaMKII directly. We hypothesized that calpain plays a role in the plasticity process at an upstream level to CaMKII. We investigated activity-dependent Ca²⁺ influx using GCaMP6 imaging and our results indicate that calpain activity is essential for this increase in Ca²⁺. Further dissecting the pathway, using different stimulation protocols (synaptic or global depolarisation), we show that calpain affects NMDA-dependent Ca²⁺ influx and not the depolarisation dependent Ca²⁺ influx. Thus, our study shows that calpain plays an essential role in LTP in an NMDAR dependent manner and that inhibiting calpain interferes in the early steps of Ca²⁺- mediated signaling leading to LTP induction. In discussing these results, we provide preliminary results that may shed light on the impact of pharmacological inhibition of calpain on NMDA receptor function.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023) / Cette thèse porte sur l'utilisation de différents outils mathématiques pour décrire la transmission synaptique. Le but de mon travail est double. Sur le plan biologique, j'ai effectué des simulations pour aider à mieux comprendre la transmission synaptique, en particulier le rôle des nanocolonnes dans la formation du courant synaptique. Les nanocolonnes sont des structures sous-microscopiques qui alignent les récepteurs postsynaptique et les vésicules présynaptiques. Étant donné qu'il est très difficile d'étudier expérimentalement les nanocolonnes, la modélisation mathématique devient un outil important pour mieux comprendre leur rôle et leur fonction. Cette partie de mon travail m'a amenée à publier un article de recherche dans la revue Frontiers in Comuptational Neuroscience intitulé "Computational modeling of trans-synaptic nanocolumns, a modulator of synaptic transmission". Dans cet article, nous montrons à travers des simulations mathématiques que les nanocolonnes pourraient jouer un rôle dans le renforcement des courants synaptiques dans les synapses de petites tailles. Le deuxième objectif de cette thèse est d'étudier différents outils mathématiques qui pourraient a priori être utilisés pour décrire la transmission synaptique. Une étape importante de la transmission synaptique est la diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique. D'un point de vue mathématique, une approche courante consiste à considérer la concentration des neurotransmetteurs comme une quantité continue et à décrire son évolution en résolvant l'équation de la chaleur. Dans le chapitre 1 de cette thèse, je discute des solutions et de l'approximation des solutions des équations de la chaleur sur des domaines cylindriques avec différentes conditions limites. Une approche plus précise est de décrire le mouvement des neurotransmetteurs individuels par une marche aléatoire. C'est cette méthode que j'ai utilisée dans mon article de recherche. Bien que plus précise, la description du mouvement des neurotransmetteurs individuels par des marches aléatoires est également plus coûteuse en calcul. De plus, étant donné la nature stochastique des simulations, une seule réalisation ne donnera qu'un résultat possible alors que de multiples simulations sont essentielles pour avoir une idée de la distribution des solutions. Cela peut être réalisé grâce à une approche Monte Carlo. Les marches aléatoires seront abordées dans le chapitre 3 de la thèse. Une troisième approche mathématique possible consiste à utiliser des équations différentielles stochastiques pour décrire le mouvement brownien des neurotransmetteurs. Les équations différentielles stochastiques ont l'avantage que leur solution fournit une distribution à partir de laquelle on peut déduire la probabilité d'une réalisation donnée. Cependant, les équations différentielles stochastiques sont généralement plus difficiles à résoudre et constituent un objet mathématique délicat à manipuler. Les équations différentielles stochastiques et la façon dont elles peuvent être appliquées à la description de la diffusion des neurotransmetteurs dans la synapse sont discutées au chapitre 2. / This thesis focuses on using different mathematical tools to describe synaptic transmission. The goal of my work is twofold. On the biological side, I performed simulations to help to better understand synaptic transmission, in particular the role of nanocolumns in shaping synaptic current. Nanocolumns are submicroscopic structures which align the postsynaptic receptors with the presynaptic vesicles. Given that it is very difficult to investigate experimentally nanocolumns, mathematical modeling becomes an important tool to better understand their role and function. This part of my work led me to publish a research paper in the journal Frontiers in Computational Neuroscience entitled "Computational modeling of trans-synaptic nanocolumns, a modulator of synaptic transmission" . In this research paper, we show through mathematical simulations that nanocolumns could play a role in reinforcing synaptic currents in weak synapses. The second goal of this thesis is to investigate different mathematical tools that could a priori be used to describe synaptic transmission. An important step in synaptic transmission is the diffusion of neurotransmitters in the synpatic cleft. From a mathematical standpoint, a common approach is to consider the concentration of neurotransmitters as a continuous quantity and to describe its evolution by solving the heat equation. In Chapter 1 of this thesis, I discuss solutions and approximation of solutions of heat equations on cylindrical domains with different boundaries conditions. A more accurate way to describe the movement of the neurotransmitters in the synaptic cleft is to describe the movement of individual neurotransmitters by a random walk. This second approach is the one I used in my research paper. While more accurate, the description of the movement of individual neurotransmitters by random walks is also more computationally expensive. Furthermore, given the stochastic nature of the simulations in this approach, a single realization will only give a possible outcome while performing multiple simulations is essential to get an idea of the distribution of solutions. This can be achieved through a Monte Carlo approach. Random walks will be discussed in chapter 3 of the thesis. A third possible mathematical approach is to use stochastic differential equations to describe the Brownian motion of neurotransmitters. Stochastic differential equations have the advantage that their solution provides a distribution from which one can deduce the probability of any given realization. However, stochastic differential are usually more difficult to solve and are a delicate mathematical object to handle. Stochastic differential equations and how they can be applied to the description of neurotransmitter diffusion in the synapse is discussion in chapter 2.

La membrane cellulaire est un environnement très dynamique où diffusent plusieurs familles de protéines. Pour assurer la communication entre neurones, certains récepteurs membranaires diffusant librement doivent être stabilisés aux jonctions de communication neuronales: les synapses. Des changements dans le comportement diffusif de ces récepteurs induisent des variations de leurs populations à la synapse. La capacité d'observer ces protéines diffuser individuellement est donc importante pour mieux comprendre certains mécanismes cellulaires associés au fonctionnement du système nerveux. Alors que les fluorophores organiques (Alexa, Atto, ...) et génétiquement encodées (GFP, RFP, ...) photoblanchissent rapidement, les nanocristaux semi-conducteurs fluorescents (points quantiques: QDs) sont photo-stables, ce qui permet de suivre les protéines marquées sur de plus longues périodes. Même si la structure cristalline du QD dépasse rarement les 10nm de diamètre, la taille de la sonde fonctionnalisée, une fois équipée d'un enrobage hydrophile et de protéines d'hameçonnage, est d'environ 30 nm, limitant leur accessibilité dans la fente synaptique (environ 20 nm). De plus, la multivalence des versions commerciales des QDs fonctionnalisés pose problème, en leur permettant de lier plusieurs récepteurs à la fois. Dans ce mémoire, nous présentons donc différentes approches pour la biofonctionnalisation de petit QDs monovalents, ainsi que les principales stratégies pour marquer des récepteurs synaptiques uniques à partir de QDs. De plus, nous présentons une étude de la diffusion de récepteurs synaptiques diffusant à l'intérieur et à l'extérieur de synapses et comparons les résultats en fonction des 2 types de sondes utilisés : QDs enrobés d'anticorps et QDs enrobés de streptavidine. Ces travaux devraient contribuer à l'optimisation d'une approche pour suivre les dynamiques des récepteurs synaptiques dans des modèles de plasticité synaptique.

Dans les couches II-III du néocortex du rat, les neurones pyramidaux sont connus pour générer des potentiels d'action rétropropagés dans les dendrites. Cela entrainerait l'entrée de calcium dans les dendrites, diminuant le calcium disponible au niveau présynaptique. Sachant que la probabilité de relâche des vésicules de neurotransmetteurs est dépendante de la concentration en calcium périsynaptique, nous avons supposé que les potentiels d'action provoquent une diminution temporaire en [Ca²⁺]₀ autour des neurones qui émettent des potentiels d'action, ce qui affecte la libération de neurotransmetteurs. Ce mémoire présente une vérification de l'effet, sur le taux d'échec synaptique, du potentiel d'action dans le neurone postsynaptique dans des délais de l'ordre des dizaines de millisecondes. Les enregistrements in vitro ont été réalisés en current-clamp avec un ou quatre potentiels d'action et en voltage-clamp avec une ou quatre dépolarisations simulant des potentiels d'action. Les réponses synaptiques ont été examinées de 10ms à 100ms après le ou les potentiels d'action. Nous avons démontré que quatre potentiels d'action dans un neurone postsynaptique diminuent la probabilité de libération de neurotransmetteurs au niveau présynaptique pour des dizaines de millisecondes.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La conception de récepteurs artificiels pour la reconnaissance moléculaire est un domaine très développé de la chimie supramoléculaire. Ce manuscript renferme les premières études réalisées sur une nouvelle classe de récepteurs supramoléculaires: les Discopus. Le Discopus offre un potentiel d’interactions via un cœur polyaromatique triphénylène (interactions p, effet hydrophobe) et une périphérie fonctionnelle flexible (Liaisons hydrogènes, interactions ioniques, hydrosolubilité) qui peut agir en coopérativité. Ces systèmes de reconnaissance peu préorganisés ont montré leur capacité de reconnaissance et leur aptitude à être sélectivif. Plusieurs familles de ces récepteurs ont été élaborées. Une famille de récepteurs phosphorylés reconnaît sélectivement les dérivés catéchol en milieu organique par liaisons Hydrogène et interactions p. Une seconde famille de Discopus carboxylés ont permis la reconnaissance, en milieu aqueux tamponné, de l’acétylcholine et les catécholamines par interactions ioniques et désolvatation de cibles. La préparation de cages à base triphénylène est en cours de réalisation afin d’amplifier le phénomène de reconnaissance. / The conception of artificial receptors is an intense field of research. This manuscript contains the first studies of a new class of receptors named discopus. The discopus can interact through a triphenylene core (p interactions, hydrophobic effect) and their flexible functional arms (hydrogen bonds, ionic interaction) which may cooperatively interact. These binding systems are just a little bit pre-organized and possess selective recognition properties. Several families of receptors have been prepared. Phosphorylated receptors showed a selective for catechol derivatives in organic media, through Hydrogen bond and p- interactions. In buffered media, carboxylated discopus allowed the recognition of acetylcholine and catecholamines through ionic interactions and desolvatation of the targets. The preparation of cages, based on triphenylene moieties, is in progress to increase the phenomenon of recognition.

Les canaux ioniques pentamériques activables par un ligand (pLGIC) sont l'une des principales familles de canaux transmembranaires. Ils permettent la transduction rapide du signal dans le système nerveux central et périphérique via la liaison de neurotransmetteurs. Les pLGIC sont également présents chez les archées et les bactéries. Seuls deux pLGIC bactériens ont été caractérisés biochimiquement et structurellement jusqu'à présent (GLIC et ELIC). Ils servent de modèle d’étude à de nombreux scientifiques et ont été largement étudiés aussi bien au niveau fonctionnel que structural. Dans la première partie de mon travail de thèse, j'ai purifié, cristallisé et résolu la structure cristalline d'un nouveau pLGIC originaire d'un symbiote de gamma-protéobactérie de Tevnia jerichonana (sTeLIC). Des expériences fonctionnelles montrent que sTeLIC est activé par un pH alcalin, est sélectif pour les ions cationiques monovalents et inhibé par les cations divalents. La structure cristalline résolue à pH 8,0 présente un pore largement ouvert qui est le premier de ce type à être caractérisé dans cette famille pLGIC. De plus, nous avons identifié un modulateur fortement positif qui se lie au "site vestibulaire" dans le domaine extracellulaire, et nous avons résolu la structure cristalline de ce complexe. Des expériences fonctionnelles montrent également que sTeLIC partage de nombreuses fonctionnalités avec ELIC. ELIC et sTeLIC constitutent les archétypes d’une nouvelle classe de pLGICs, dont la forme active se caractérise par un pore largement plus ouvert que les autres pLGICs.Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, les résidus senseurs de protons dans GLIC ont été cartographiés, afin de déterminer comment la liaison du proton stabilise l'état ouvert de GLIC. Tous les résidus titrables de GLIC ont été cartographiés par mutagenèse dirigée afin de découvrir des capteurs de protons impliqués dans le processus de déclenchement. Nous avons ainsi démontré que la résidu E35 est un résidu clé, dont la forme chargée stabilise l’état de repos, et la forme protonée l'état actif. Nous avons également démontré que la réponse au proton dépend de deux réseaux distincts à l'interface ECD-TMD qui stabilisent l'état ouvert de GLIC. Dans la troisième partie, j'ai cloné, purifié, cristallisé et déterminé les structures cristallines des formes ouvertes et fermées de DeCLIC, un pLGIC de la protéobactérie Desulfofustis. Chaque sous-unité contient un grand domaine additionnel N-terminal constitué de deux sous-domaines (NTD1 et NTD2). Il s’agit de la première structure d’un pLGIC qui contient un domaine supplémentaire extracellulaire non-canonique. / Ligand-gated pentameric ion channels (pLGIC) are one of the major families of transmembrane receptors. They allow rapid signal transduction in the central and peripheral nervous systems via neurotransmitters binding. PLGICs are also present in archaea and bacteria. Only two bacterial pLGICs have been biochemically and structurally characterized so far (GLIC and ELIC). They serve as working models for many scientists and have been extensively studied both at the functional and structural levels. In the first part of my thesis, I purified, crystallized and solved the crystal structure of a new pLGIC from gamma-proteobacterial symbionts of Tevnia jerichonana (sTeLIC). Functional experiments show that sTeLIC is activated by alkaline pH, and is selective for monovalent cationic ions and inhibited by divalent cations. The crystal structure solved at pH 8.0 displays a widely open pore that is the first of this kind to be characterized in the pLGIC family. In addition, we identified a strongly positive modulator that binds to the "vestibule site" in the extracellular domain, and we solved the crystal structure of this complex. Functional experiments show that sTeLIC shares many features with ELIC. ELIC and sTeLIC are the archetypes of a new class of pLGICs, whose active form is characterized by a much more open pore than other pLGICs. In the second part of my thesis, the proton sensor residues in GLIC have been mapped. All titratable GLIC residues were tested by site-directed mutagenesis to discover proton sensors involved in the triggering process. We have demonstrated that the residue E35 is a key residue, whose charged form stabilizes the resting state, and the protonated form the active state. We have also demonstrated that the proton response is dependent on two distinct networks at the ECD-TMD interface, which stabilize the open state of GLIC.In the third part of my thesis, I cloned, purified, crystallized and determined the crystal structures of the open and closed forms of DeCLIC, a pLGIC of Desulfofustis proteobacterium. Each subunit contains a large N-terminal additional domain consisting of two subdomains (NTD1 and NTD2). This is the first structure of a pLGIC which contains a non-canonical additional extracellular domain.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le gabapentin est une molécule lipophile dérivée de l'acide y-aminobutyrique (GABA). Ce médicament traverse la barrière hémato-encéphalique, se lie à la sous-unité α2β des canaux calciques voltage-dépendents de type Let réduit l'influx de Ca2+ dans les neurones de rat. Le gabapentin diminue la libération de la sérotonine dans le système nerveux central. Par contre, il n'affecte pas directement les récepteurs sérotoninergiques et ne modifie pas la recapture du neurotransmetteur. Des études animales et cliniques ont démontré que le gabapentin possède des propriétés anticonvulsivantes, anxiolytiques et analgésiques. Si l'activité anticonvulsivante du gabapentin peut être, du moins, en partie, expliquée par son effet inhibiteur sur les canaux calciques de type L, son mécanisme d'action anxiolytique est encore inconnu. A l'encontre des benzodiazépines qui influencent la neurotransmission GABAergique, le gabapentin n'affecte pas directement les cibles moléculaires de cette neurotransmission. L'implication de la neurotransmission sérotoninergique dans l'anxiété est supportée par l'efficacité thérapeutique des agonistes 5-HTIA et des inhibiteurs spécifiques de la recapture sérotoninergique, ainsi que par les propriétés anxiogéniques des agonistes 5-HTrn. Considérant ces observations, nous avons émis l'hypothèse que le gabapentin, en diminuant la libération de la sérotonine centrale, induirait des modifications de la densité des récepteurs 5-HT 1A et 5-HT rn, sans affecter pour autant les transporteurs. Pour évaluer cette hypothèse, nous avons étudié les effets de l'administration chronique du gabapentin sur la radio liaison de ligands spécifiques aux récepteurs 5-HT1A, aux récepteurs 5-HTrn et aux transporteurs sérotoninergiques du rat. Le gabapentin fut administré i.p. pendant 21 jours à 30 mg/kg et à 100 g/kg et comparé au salin. Les études topologiques ont été effectuées par autoradiographie quantitative en utilisant le [3H]citalopram pour la radioliaison aux transporteurs sérotoninergiques, le [3H]8-0HDPAT pour marquer les récepteurs 5-HTIA et le [3H]GR 125743 pour la radioliaison aux récepteurs 5-HTrn. La densité des récepteurs et des sites de recapture de la sérotonine a été évaluée par un analyseur d'images informatisé (MCID™) qui permet une haute résolution dans la quantification des densités optiques de films autoradiographiques. Les régions cérébrales analysées ont été les suivantes : le cortex ( cingulaire, frontal, parietal, enthorinal), le septum (latérodorsal et latérointermédiaire), les noyaux raphé (dorsal et médian), l'hippocampe (CAl,2,3 et DG), la substance noire, le globus pallidus, le noyau accumbens et caudéputamen (rostral et caudal). Nous avons trouvé que le traitement au gabapentin diminue la radioliaison du 8-0HDPAT tritié aux récepteurs 5-HT1A de l'hippocampe (le CAl et DG), du cortex frontal et du septum et réduit aussi la radioliaison du GR 125743 tritié aux 5-HTrn du DG hippocampique. Par contre, ce traitement n'affecte pas la radioliaison aux sites de recapture de la sérotonine. Une interprétation possible de nos résultats est que le gabapentin affecte les récepteurs sérotoninergiques de façon indirecte. En diminuant l'influx calcique dans les canaux calciques centraux, au niveau du cortex frontal, de l'hippocampe (CAl et DG) et du septum, le gabapentin pourrait entraîner une réduction de la libération de la 5-HT. La diminution de ce neurotransmetteur induirait alors une régulation à la baisse des autorécepteurs 5-HTrn dans le DG. Par ailleurs, la diminution de l'entrée du calcium provoquée par le gabapentin pourrait induire une baisse d'affinité des récepteurs 5-HT1A postsynaptiques pour leur ligand spécifique.

Malgré le rôle primordial des neurotransmetteurs (NTs) dans le système nerveux central, leur détection non-invasive in vivo reste un défi majeur. L’imagerie par résonance magnétique (IRM), grâce à son excellente résolution spatiale et temporelle, est parmi les techniques de diagnostic les plus performantes. Elle est au centre des développements récents en imagerie moléculaire. En particulier, l’utilisation des agents d’imagerie intelligents qui sont capables de visualiser le statut physico-chimique des tissus commence à avoir une place importante en neuroscience.Cette étude a pour objectif de concevoir, synthétiser et caractériser in vitro des sondes intelligentes à base de cations lanthanide pour la détection in vivo des NTs. La conception de nos sondes est basée sur des interactions doubles avec des neurotransmetteurs zwitterioniques: d’une part entre le complexes de Ln3+ positivement chargé et le carboxylate du NT et d’autre part entre un ether couronne lié au complexe et la fonction amine du NT. Plusieurs des sondes synthétisées présentent des relaxivités élevées et ont une réponse relaxometrique remarquable aux NTs, bien que leur sélectivité vis-à-vis de l’ion bicarbonate ne soit pas suffisante. Afin de développer des sondes pour une approche bimodale IRM /optique, nous avons également intégré dans les complexes une benzophenone qui joue le rôle de chromophore pour sensibiliser la luminescence des ions Ln3+ émettant dans le proche infra-rouge. Le complexe d’Yb3+ correspondant a des propriétés de luminescence très intéressantes avec une forte réponse aux NTs. / In spite of the key role of neurotransmitters (NTs) in signal transduction, their non-invasive in vivo monitoring remains an important challenge. Magnetic resonance imaging (MRI) has recently been demonstrated as a promising technique to non-invasively visualize physiological events with excellent temporal and spatial resolution. In particular, smart MRI contrast agents that are able to report on the physico-chemical status of the tissues, start to have a strong impact in neuroscience. The objective of this work was the design, synthesis and in vitro characterization of a series of lanthanide-based probes responsive to NTs with the aim to track in vivo concentration changes of NTs using MR or optical imaging. The design of our imaging probes relies on a dual binding approach of zwitterionic NTs to the Ln3+ complexes, involving interactions (i) between a positively charged Ln3+ chelate and the carboxylate function of the NTs and (ii) between an azacrown ether appended on the chelate and the amine group of the neurotransmitters. Some of the novel contrast agents were found to exhibit high relaxivities and a remarkable relaxivity response towards NTs, though little selectivity against bicarbonate. In order to apply a bimodal MRI/optical imaging approach, we have also incorporated a benzophenone moiety into the chelate to sensitize the near-infrared emitting Ln3+ ions. The Yb3+ analogue proved to be highly sensitive to NTs.

Apprendre de nouvelles séquences d'actions est l'une des fonctions cruciales du système nerveux central. Cet apprentissage est notamment assuré par les ganglions de la base ;ceux-ci jouent un rôle critique dans la sélection d'actions ou la prise de décisions en permettant l'apprentissage et la sélection des programmes moteurs les plus appropriés. Comprendre la physiologie de cette circuiterie neuronale hautement complexe et particulièrement celle du striatum - structure d'entrée des ganglions de la base - est donc d'une importance capitale dans l'amélioration de notre compréhension de ce système neuronal. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au rôle fonctionnel du récepteur NMDA (NMDA-R) dans une sous-population des neurones de projection, les neurones striatopallidaux. Ces récepteurs sont impliqués dans les modifications de l'efficacité synaptique à long terme et jouent donc un rôle central dans le mécanisme d'apprentissage. Notre travail démontre que le NMDA-R des neurones striatopallidaux est un élément essentiel de l'apprentissage au niveau des ganglions de la base. En effet, nous observons que des souris transgéniques, déficientes en NMDA-R spécifiquement dans les neurones striatopallidaux, disposent d'une capacité d'adaptation réduite aux modifications de leur environnement. De plus, nous démontrons que ces souris transgéniques présentent des connexions neuronales affaiblies susceptibles d'expliquer les altérations comportementales observées. Dans ce travail de thèse, nous avons également développé une stratégie expérimentale reposant sur l'utilisation d'outils optogénétiques afin de déterminer le rôle d'une population d'interneurones inhibiteurs du striatum, les "fast spiking interneurons" (FSI). Cette technique a été mise en oeuvre avec succès et nous avons validé son efficacité in vitro. Nous démontrons que cette approche permet un contrôle l'activité électrique des FSI à l'échelle de la milliseconde. Son application in vivo, combinée avec des paradigmes comportementaux, nous permettra d'élucider le rôle spécifique de cette sous-population neuronale, tant au niveau du contrôle moteur que de la prise de décisions, dans des situations physiologiques ou pathologiques. Dans son ensemble, le présent travail ouvre les portes vers une meilleure compréhension de l'orchestration de la microcircuiterie striatale. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished