Le cortex préfrontal (PFC) est le principal locus des perturbations dans l’activité des réseaux de neurones chez les schizophrènes. Ces perturbations résultent d’une dérégulation des interactions entre le système dopaminergique et le système glutamatergique dont l’origine demeure inconnue. Il est acquis que les cellules gliales détectent et intègrent les signaux synaptiques, et libèrent différentes substances neuroactives comme la D-sérine. Cet acide aminé est aujourd’hui reconnu comme le coagoniste endogène des récepteurs au glutamate de type NMDA dans de nombreuses aires cérébrales. Mon travail de thèse est centré sur le rôle de la d-sérine dans la transmission synaptique excitatrice glutamatergique dans le PFC du rongeur adulte et dans la gouvernance des interactions entre systèmes glutamatergique et dopaminergiques J’ai tout d’abord montré en utilisant des enregistrements électrophysiologiques sur tranches que la d-sérine est le coagoniste des récepteurs NMDA synaptiques dans les couches V/VI du PFC. Cet acide aminé est synthétisé par les astrocytes et contrôle l’induction de la potentialisation à long terme. D’autre part, j’ai montré que la dopamine exerce un effet biphasique sur l’activité des récepteurs NMDA synaptiques et sur l’excitabilité des neurones pyramidaux des couches V/VI du PFC et ce en contrôlant la libération de d-sérine. Une approche pharmacologique sélective a permis de mettre en évidence le rôle des récepteurs D1 dans les effets potentialisateurs et le rôle des récepteurs D2/D3 dans les effets inhibiteurs de la dopamine. Mon travail démontre que les astrocytes arborent des récepteurs à la dopamine qui contrôlent la libération de la d-sérine. / The prefontal cortex (PFC) is the main locus where dysfunctions of neuronal networks are evident in schizophrenia. These dysfunctions are caused by an impairment of cross-talk between dopaminergic and glutamatergic systems whose origin is unknown. It is now accepted that glia detect and integrate synaptic signals and then release many neuroactive substances such as D-serine. This amino acid is now considered to be the endogenous coagonist of the NMDA subtype receptors for glutamate in many brain areas. My PhD work focuses on the functions of d-serine in glutamatergic excitatory synaptic transmission in the PFC of adult rodent and in governing the interactions between dopaminergic and glutamatergic systems. First, using electrophysiological recordings on brain slices, I have shown that d-serine is the coagonist of synaptic NMDA receptors in layers V/VI of PFC. This amino acid is synthesized by glia and is crucial for the induction of long term potentiation. In addition, I have shown that dopamine has a bell-shape effect on the activity of synaptic NMDA receptors and on the excitability of excitatory pyramidal neurons by controlling the release of d-serine. The use of specific pharmacological tools allowed me to show the potentiating effects of dopamine are mediated by D1 receptors whereas the inhibitory effects are due to the activation of D2/D3 receptors. Finally, my work highlights the presence of functional dopaminergic receptors on astrocytes that modulate the release of d-serine in the PFC, thus impacting NMDA receptor activity.

Les protéines membranaires comme les récepteurs, les canaux ioniques et les transporteurs possèdent des rôles cruciaux dans les processus biologiques tels que la signalisation physiologique et les fonctions cellulaires. La description dynamique et fonctionnelle des structures protéiques est fondamentale pour comprendre la plupart des processus concernant les macromolécules biologiques. L'incorporation, dans des protéines, d'acides aminés non naturels (Uaas) possédant des propriétés physiques ou chimiques spécifiques fournit un puissant outil pour définir la structure et la dynamique de protéines complexes. Ces sondes permettent le suivi et la détection en temps réel de la conformation des récepteurs et des complexes de signalisation. Les approches d'expansion du code génétique ont permis l'incorporation d'Uaas servant de sondes dans des protéines avec une précision moléculaire. L'expansion héréditaire du code génétique peut permettre d'étudier la biologie des protéines de manière systémique.Avec cette stratégie, des Uaas capables de photopontage ont été utilisés pour étudier la relation structure/fonction des Protéines G Couplées aux Récepteurs (GPCR), telles que l'identification de la liaison du ligand ou des interactions protéine-protéine, en détectant les changements dynamiques avec les Uaas spectroscopiques et l'étiquetage bioorthogonal. Sur la base d'applications relativement bien établies d'Uaa dans les GPCR, ici, les analyses fonctionnelles sont combinées à l'incorporation génétique d'un Uaa photosensible spécifique au site, p-azido-L-phénylalanine (AzF) dans d'autres protéines membranaires, pour détecter la protéine, les changements conformationnels et les interactions protéiques. Contrairement à d’autres molécules photosensibles qui permettent aux protéines de répondre à la lumière, l'insertion des Uaas directement dans la chaine d’acides aminés offre des possibilités uniques pour le photo-contrôle de la protéine. Les aspects dynamiques de l'allostérie sont plus difficiles à visualiser que les modèles structuraux statiques. Une stratégie photochimique est présentée pour caractériser la dynamique des mécanismes allostériques des récepteurs NMDA neuronaux (NMDAR). Ces récepteurs appartiennent à la famille des canaux ioniques activés par le glutamate et portent la transmission synaptique excitatrice rapide associée à l'apprentissage et à la mémoire. En combinant le balayage AzF et un test fonctionnel résistant à la lumière, nous avons pu apporter des éléments permettant de mieux comprendre la dynamique des interfaces NTD (N-Terminal Domain des NMDAR) ainsi qu’un nouveau mécanisme de régulation allostérique, améliorant notre compréhension de la base structurale du mécanisme d’activation et de modulation des récepteurs NMDA.Outre l'incorporation de l’Uaa photopontant AzF dans les récepteurs neuronaux pour détecter l'effet fonctionnel, AzF a été appliqué pour piéger des interactions faibles et transitoires entre protéines dans un transporteur d'acides aminés LAT3, impliqué dans le cancer de la prostate. Les techniques de dépistage ont été établies en appliquant un photo-cross-linker positionné dans la protéine pour examiner les interactions entre LAT3 et les interacteurs inconnus et fournir des indices d'identification des partenaires de liaison.Dans l'ensemble, ce travail dévoile de nouvelles informations sur la modulation allostérique de l'activité du récepteur NMDA et sur les interactions protéines-protéines.. Les résultats pourraient fournir de nouvelles informations structurales et fonctionnelles et guider le dépistage de composés thérapeutiques pour des maladies associées au dysfonctionnement de ces protéines membranaires. / Membrane proteins including receptors, channels and transporters play crucial roles in biological processes such as physiological signaling and cellular functions. Description of dynamic structures and functions of proteins is fundamental to understand most processes involving biological macromolecules. The incorporation of unnatural amino acids (Uaas) containing distinct physical or chemical properties into proteins provides a powerful tool to define the challenging protein structure and dynamics. These probes allow monitoring and real-time detection of receptor conformational changes and signaling complexes. The genetic code expansion approaches have enabled the incorporation of Uaas serving as probes into proteins with molecular precision. Heritable expansion of the genetic code may allow protein biology to be investigated in a system-wide manner.With this strategy, photocrosslinking Uaas have been used to study GPCR structure/function relationship, such as identifying GPCR-ligand binding or protein-protein interactions, detecting dynamic changes with spectroscopic Uaas and bioorthogonal labeling. Based on relatively well-established applications of Uaa in GPCRs, here, functional assays are combined with the site-specific genetic incorporation of a photo-sensitive Uaa, p-azido-L-phenylalanine (AzF) into other membrane proteins, to probe protein conformational changes and protein interactions. Unlike photo-sensitive ligands that enable proteins in response to light, the site-specific insertion of light-sensitive Uaas facilitates directly light-sensitive proteins. Dynamic aspects of allostery are more challenging to visualize than static structural models. A photochemical strategy was presented to characterize dynamic allostery of neuronal NMDA receptors (NMDARs), which belong to the ionotropic glutamate receptor channel family and mediate the fast excitatory synaptic transmission associated with learning and memory. By combining AzF scanning and a robust light-induced functional assay the dynamics of NMDAR N-terminal domain (NTD) interfaces and novel allosteric regulation mechanism were uncovered, improving our understanding of the structural basis of NMDAR gating and modulation mechanism.Besides incorporation of photo-cross-linker AzF into neuronal receptors to detect the functional effect, AzF was used to trap transient and weak protein-protein interactions in an amino acid transporter LAT3, which is critical in prostate cancer. Screening technique was established by applying genetically encoded photo-cross-linker to examine interactions between LAT3 and unknown interactors and provide clues to identify the binding partners.Overall, the work reveals new informations about the allosteric modulation of channel activity and proteins interactions. These light-sensitive proteins facilitated by site-specific insertion of light-sensitive Uaas enable profiling diversity of proteins. The results will provide novel structural and functional information and may guide screening of therapeutic compounds for diseases associated with malfunctioning of these membrane proteins.

Les récepteurs NMDA (NMDARs) sont des canaux cationiques activés par le glutamate. Les NMDARs participent au développement cérébral, à la plasticité synaptique, à l'apprentissage, à la mémoire et aux fonctions cognitives supérieures. Des variants pathogènes de GRIN2A, codant pour la sous-unité GluN2A des NMDARs, peuvent causer des épilepsies focales et encéphalopathies épileptiques de l'enfance avec troubles du langage et de la parole, connue sous le nom de spectre des épilepsies-aphasies (EAS). Les caractéristiques communes de l'EAS comprennent une activité épileptiforme âge-dépendante activée pendant le sommeil lent associées à des troubles de la parole, de la cognition et du comportement qui peuvent persister à l'âge adulte. Afin de commencer à identifier les événements précoces possiblement associés aux altérations de GluN2A, nous avons exploré le modèle correspondant de souris knock-out (KO) du gène Grin2a. Nous avons notamment recherché des altérations précoces de la communication vocale, de la (micro)structure cérébrale, et de l'activité électrique néocorticale. Nos données démontrent l'existence de plusieurs altérations à ces différents niveaux, parfois transitoirement à des stades spécifiques. De plus, les enregistrements néocorticaux mettent en évidence des anomalies de divers types liées au sommeil lent. Nos résultats indiquent également un rôle de GluN2A dans la communication vocale, dans l'organisation de la microstructure cérébrale, et dans la maturation des activités d’ondes lentes. Ces données suggèrent que les souris KO Grin2a représentent un modèle fiable pour appréhender les mécanismes physiopathologiques associés à l’EAS et leur séquence temporelle. / NMDA receptors (NMDARs) are cation channels that are gated by glutamate - the major excitatory neurotransmitter of the central nervous system. NMDARs participate in brain development, synaptic plasticity, learning, memory and high cognitive functions. Pathogenic variants in the GRIN2A gene, which encodes the GluN2A subunit of the NMDARs, can cause a group of childhood focal epilepsies and epileptic encephalopathies with speech and language dysfunction, known as the epilepsy-aphasia spectrum (EAS). Features shared in common by EAS disorders include age-dependent epileptiform activity activated in sleep associated with speech, neuropsychological and behavioral deficits that may persist in adulthood. In order to start in deciphering the early events possibly associated with the dysfunctioning of GluN2A-containing NMDARs, we have explored the corresponding Grin2a knock-out (KO) mouse model. That consisted in looking for early alterations of vocal communication, of brain (micro)structure, and of neocortical electrical activity. Our data demonstrated the existence of several alterations at those various levels. Some alterations were transient only, being detected at selective stages; also, neocortical recordings pointed for sleep-related anomalies of various types. Our data also indicated a role for GluN2A-containing NMDA receptors in vocal communication, fine organization of brain microstructure, and proper maturation of slow wave activity in sleep. Altogether, our data suggest that the Grin2a KO mice represent a reliable model to further elucidate the pathophysiological mechanisms associated with the disorders of EAS and their temporal sequences.

La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative du système nerveux central qui se caractérise notamment par l’accumulation de peptide beta-amyloïde (Aβ) dans le tissus nerveux. Dans la première partie de cette thèse nous avons montré que l’interaction des oligomères Aβ1-42 de haut poids moléculaire avec la membrane plasmique des cellules PC12 différenciées ou des cellules nerveuses (neurones et astrocytes primaires) provoque des variations de la [Ca2+]i dépendant de l’activation des récepteurs NMDA. Dans la seconde partie nous avons montré qu’une pré-exposition des cellules PC12 et des cellules nerveuses à de faibles concentrations de peptide Aβ module l’interaction ultérieure des oligomères avec la membrane plasmique. Enfin dans le cadre d’une collaboration avec l’entreprise Innovative Health Diagnostics (IHD) nous avons participé à la caractérisation d’une sonde amyloïde fluorescente développée pour réaliser des tests de détection de la MA à partir d’échantillons sanguins. / Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease of the central nervous system which is characterized in particular by the accumulation of beta amyloïde peptide (Aβ) in nerve tissues. In the first part of this thesis we showed that the interaction of high molecular weight Aβ1-42 oligomers with the plasma membrane of differenciated PC12 or nerve cells (neurons and astrocytes) triggers variations of their depending on the activation of the NMDA receptors. In the second part we showed that a pre-exposure of PC12 and nerve cells with low concentrations Aβ1-42 of modulates the later interaction of oligomers with the plasma membrane. Finally in collaboration with the company Innovative Health Diagnostics (IHD) we participated in the characterization of a fluorescent amyloid probe developed to realize detection test of AD from blood samples.

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

La schizophrénie est un trouble mental débilitant qui se caractérise par des perturbations de la pensée, des émotions et de la cognition. Ces processus d’intégration fonctionnelle sont généralement associés à des oscillations bioélectriques cérébrales synchrones dans la bande de fréquence gamma (30-80 Hz), lesquelles sont aussi altérées chez des patients souffrant de schizophrénie. Ce travail de thèse vise à développer des méthodes et des outils pour étudier les mécanismes neuronaux sous-tendant les altérations de ces oscillations physiopathologiques. Pour ce faire, nous avons développé des modèles de rongeurs de laboratoire pour la schizophrénie. Nous avons démontré que des modifications génétiques ou pharmacologiques conduisent à des perturbations des oscillations gamma et que des médicaments antipsychotiques peuvent les moduler. / Schizophrenia is a debilitating mental disorder that is characterised by a breakdown in normal thought processes, blunted emotional responses and a variety of cognitive difficulties. Gamma frequency (30 – 80 Hz) oscillations are associated with many processes that are disrupted in people with schizophrenia memory, perception and attention. This thesis aimed to develop methods and tools to investigate the basic mechanisms that underlie the alterations in gamma frequency brain activity that are observed in patients suffering from schizophrenia. To do this we developed a variety of experimental animal models for schizophrenia. We successfully demonstrated that both genetic and pharmacological changes lead to alterations in gamma oscillations and that antipsychotic medications can modulate them.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Initialement encodés dans l’hippocampe, les nouveaux souvenirs déclaratifs deviennent progressivement dépendants d’un réseau distribué de neurones corticaux au cours de leur maturation dans le temps. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-­‐tendant la consolidation et le stockage à long terme de ces nouveaux souvenirs au sein des réseaux corticaux restent à élucider. Les récepteurs N-­‐méthyl-­‐D-­‐aspartate (RNMDA) jouent un rôle essentiel dans l’induction et la régulation des changements synaptiques sous-­‐tendant les processus mnésiques de type associatifs. Sur la base de leurs propriétés biophysiques respectives, nous avons formulé l’hypothèse que la redistribution synaptique des deux formes principales de sous-­‐unités GluN2 exprimées dans le néocortex adulte (GluN2A and GluN2B), pourrait constituer un mécanisme de régulation de la plasticité synaptique supportant l’intégration et la stabilisation progressive des souvenirs au niveau cortical au cours du processus de consolidation mnésique. En combinant, chez le rat adulte, une approche comportementale, biochimique, pharmacologique et des stratégies innovantes consistant à manipuler le trafic de sous-­‐unités des RNMDA à la surface synaptique, nos résultats mettent en évidence un changement cortical dans la composition synaptique en sous unités GluN2, lequel régule la stabilisation progressive de la mémoire à long terme au sein des réseaux corticaux. Nous avons d'abord établi que les RNMDA contenant la sous-­‐unité GluN2B, via leur interaction spécifique avec une protéine clé de la signalisation synaptique, la CaMKII, sont préférentiellement recrutés lors de la phase d’encodage pour permettre l’allocation des nouveaux souvenirs olfactifs associatifs dans un réseau de neurones corticaux spécifique. Au cours du processus de consolidation, nous avons révélé que la redistribution des RNMDA corticaux contenant les sous-­‐unités GluN2B vers l’extérieur ou l’intérieur de l’espace synaptique suite à l’apprentissage, contrôle respectivement la stabilisation de la mémoire à long terme et son oubli au cours du temps. Enfin, renforcer l’acquisition initiale conduit à une augmentation plus rapide du ratio post-­‐synaptique GluN2A/GluN2B et accélère la cinétique du dialogue hippocampo-­‐cortical, ce qui se traduit par une stabilisation accélérée des souvenirs au sein des réseaux corticaux. Pris dans leur ensemble, nos travaux montrent que le trafic des GluN2B-­‐RNMDA corticaux représente un mécanisme cellulaire majeur conditionnant le devenir des traces mnésiques (i.e. stabilisation versus oubli) et apporte un éclairage nouveau sur la façon dont le cerveau organise les souvenirs récents et anciens. / Initially encoded in the hippocampus, new declarative memories are thought to become progressively dependent on a broadly distributed cortical network as they mature and consolidate over time. Although we have a good understanding of the mechanisms underlying the formation of new memories in the hippocampus, little is known about the cellular and molecular mechanisms by which recently acquired information is transformed into remote memories at the cortical level. The N-­‐methyl-­‐D-­‐aspartate receptor (NMDAR) is widely known to be a key player in many aspects of long-­‐term experience-­‐dependent synaptic changes underlying associative memory processes. Based on their distinct biophysical properties, we postulated that the activity-­‐dependent surface dynamics of the two predominant GluN2 subunits (GluN2A and GluN2B) of NMDARs present in the adult neocortex could provide a metaplastic control of synaptic plasticity supporting the progressive embedding and stabilization of long-­‐lasting associative memories within cortical networks during memory consolidation. By combining, in adult rats, behavioral, biochemical, pharmacological and innovative strategies consisting in manipulating trafficking of NMDAR subunits at the cell membrane, our results identify a cortical switch in the synaptic GluN2-­‐containing NMDAR composition which drives the progressive embedding and stabilization of long-­‐lasting memories within cortical networks. We first established that cortical GluN2B-­‐containing NMDARs and their specific interactions with the synaptic signaling CaMKII protein are preferentially recruited upon encoding of associative olfactory memories to enable neuronal allocation, the process via which a new memory trace is thought to be allocated to a given neuronal network. As these memories are progressively processed and embedded into cortical networks, we observed a learning-­‐induced surface redistribution of cortical GluN2B-­‐containing NMDARs outwards or inwards synapses which respectively drives the progressive stabilization and subsequent forgetting of remote memories over time. Finally, increasing the strength, upon encoding, of the initial memory leads to a faster increase of the cortical GluN2A/GluN2B synaptic ratio and accelerates the kinetics of hippocampal-­‐cortical interactions, which translated into a faster stabilization of memories within cortical networks. Taken together, our results provide evidence that GluN2B-­‐NMDAR surface trafficking controls the fate of remote memories (i.e. stabilization versus forgetting), shedding light on a novel mechanism used by the brain to organize recent and remote memories.