L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf ) permet de détecter sur le cerveau entier des activations neuronales en réponse à un stimulus, par le biais de l'observation des modifications hémodynamiques occasionnées. En particulier, l'IRMf est un outil de choix pour l'étude des mécanismes de la stimulation cérébrale profonde et de la stimulation du nerf vague qui sont encore mal connus. Cependant, cette technique n'est pas facilement utilisable chez l'homme en raison des problèmes de sécurité vis-à-vis de l'action des champs magnétiques intenses utilisés en IRM au niveau des électrodes implantées. Les développements méthodologiques chez l'animal sont donc nécessaires. L'objectif principal de cette thèse est l'étude des mécanismes à distance de la stimulation du système nerveux central et périphérique par IRMf chez le rat. Nous présentons dans un premier temps les séquences IRM rapides utilisées en IRMf, comme l'Echo-Planar Imaging multishot, permettant d'imager le cerveau entier en 1 à 2 secondes seulement, ainsi que les différents problèmes posés par l'utilisation de ces séquences, comme les artefacts de susceptibilité magnétique. Le couplage des séquences développées durant cette thèse avec des mesures électrophysiologiques a notamment permis l'imagerie des réseaux épileptiques chez le rat. Dans un second temps, nous développons les problèmes posés par la préparation animale, particulière en IRMf de par le fait que le couplage neurovasculaire doit être préservé sous anesthésie afin de préserver les activations neuronales. Après comparaison avec les anesthésies à l'isoflurane et la kétamine, nous avons déduit que la médétomidine constituait un anesthésique de choix pour l'IRMf du rongeur, et précisons le protocole de préparation animale utilisé pour l'imagerie. De plus, les électrodes utilisées en stimulation intracérébrale induisent des artefacts importants en imagerie, et des électrodes constituées de matériaux amagnétiques sont nécessaires. Nous expliquons pourquoi nous avons choisi des électrodes en carbone, et présentons le protocole de fabrication utilisé. Nous avons ensuite validé ces développements méthodologiques par des expériences d'IRMf de challenges hypercapniques et de stimulation de la patte chez le rat. Puis nous avons conduit une étude IRMf approfondie des mécanismes d'action de la stimulation du nerf vague, en s'intéressant à la distinction entre activations neuronales et effets cardiovasculaires confondants par modélisation causale dynamique. Nous présentons aussi des résultats en IRMf de la stimulation électrique intracérébrale chez le rat. Plusieurs cibles ont été stimulées (noyau géniculé dorso-latéral, gyrus dentelé, striatum et thalamus), et des activations ont été obtenues à distance de l'électrode, conformément aux connaissances actuelles sur les connexions neuroanatomiques de ces noyaux. Ainsi, nous avons mis au point et validé l'IRMf du rat et son application à la stimulation électrique du système nerveux périphérique et central. / Functional magnetic resonance imaging (fMRI) can detect neuronal activations in the entire brain, in response to a stimulus, through the observation of subsequent hemodynamic changes. In particular, fMRI is a good tool for studying the mechanisms of deep brain stimulation and vagus nerve stimulation, which are still poorly understood. However, this technique is not readily usable in humans because of safety concerns towards the action of the strong magnetic fields used in MRI on implanted electrodes. Indeed, methodological developments in animals are needed. The main goal of this thesis is to study the mechanisms of central and peripheral nervous system stimulation in rats by fMRI. First, fast MRI sequences used in fMRI are exposed, such as multishot Echo-Planar Imaging, allowing to image the entire brain in a couple of seconds. Various imaging problems posed by these sequences, such as magnetic susceptibility artifacts, are also presented. These sequences, developed during this thesis, associated with electrophysiological measurements, allowed imaging of epileptic networks in the rat. Secondly, animal preparation is developped, as it is peculiar in fMRI : neuronal activations, as well as neurovascular coupling, must be preserved under anesthesia. Compared to anesthesia by isoflurane and ketamine, it was concluded that medetomidine was an anesthetic of choice for fMRI of the rodent, and the protocol used for animal preparation for imaging is specified. Furthermore, the electrodes used in deep brain stimulation induce significant artifacts in MRI images, and electrodes made of amagnetic materials are needed. Our choice of carbon electrodes is explained, and the manufacturing protocol used is exposed. These methodological developments were then validated in fMRI experiments of hypercapnic challenges and forepaw stimulation. Finally, an fMRI experiment studying mechanisms of action of vagus nerve stimulation was conducted, focusing on the distinction between neuronal activations and confounding cardiovascular effects by dynamic causal modeling. Also, results on fMRI of deep brain stimulation in rats are presented. Several targets were stimulated (dorsolateral geniculate nucleus, dentate gyrus, striatum and thalamus), and activations were obtained at a distance from the electrode. Results were in accordance with current knowledge on neuroanatomical connections of these nuclei. Thus, we developed and validated fMRI of the rat and its application to electrical stimulation of peripheral and central nervous system.

Les maladies émergentes représentent actuellement 65% de toutes les pathologies infectieuses récentes. Récemment, un nombre croissant de nouveaux virus a été associé à de petits mammifères terrestres, plus particulièrement à des rongeurs, désignant ce groupe comme étant l'une des possibles sources de dangereuses pathologies émergentes et ré-émergentes. Actuellement, la réaction en chaîne par polymérase (PCR) est l'outil principal utilisé pour la détection d'agents pathogènes dans la diagnostique de routine et dans la recherche. Or, plusieurs recherches ont montré que certaines substances inhibent la PCR, causant de faux résultats. Aussi, nous avons lancé un programme de capture de rongeurs pour le dépistage de virus connus et non identifiés. Au total 1441 rongeurs ont été capturés pendant des campagnes organisées en Europe et Afrique entre 2002 et 2011. Tout d'abord, nous avons examiné l'inhibition de la PCR et étudié les différentes techniques de traitement d'échantillons qui favorisent la réduction de la quantité d'inhibiteurs dans les échantillons de rongeurs. Parmi les techniques d'extraction évaluées, l'EZ1 virus mini kit et le réactif d'extraction RNAnow se sont avéré plus efficaces que le NucleoSpin virus kit ou le réactif d'extraction TRIzol. De même, l'utilisation des poumons et de reins était préférable à l'utilisation du foie et de la rate. Aucune différence significative n'a été observée entre le stockage à -80°C et le stockage dans le réactif RNAlater. Nous avons conduit le dépistage des virus, en utilisant les tests moléculaires et la culture cellulaire. Deux nouvelles souches de virus ont été isolées, séquencées et caractérisées. / Emerging diseases currently represent 65% of recent major disease outbreaks. Of them, 75% are associated with wildlife. Recently, an increasing number of newly discovered viruses have been associated with small terrestrial mammals, particularly with rodents, pointing at this group as one of the most dangerous potential sources of emerging or re-emerging diseases. To meet these challenges for public health, a proper surveillance becomes necessary, which passes by detection of pathogens in human and risky groups of animals, including field investigations. Yet this can be achieved only by using proper techniques of samples treatment and pathogen detection. Currently, polymerase chain reaction (PCR) is the main tool used for the detection of pathogens in routine diagnostic and research. Yet, several researches showed that some substances can inhibit PCR, causing false-negative results. Therefore, we initiated a screening program targeting rodents for the presence of known and unidentified viruses. A total of 1441 rodents were trapped during field campaigns organized in Europe and Africa, between 2002 and 2011. At first we investigated on PCR inhibitors and discussed techniques of treatment of samples allowing reducing the influence of inhibitors in rodent samples. Among the extraction techniques tested, EZ1 virus mini kit and RNAnow extraction reagent were more effective than NucleoSpin virus kit or TRIzol extraction reagent. Also, the use of lungs and kidneys was preferable to the use of liver and spleen, the quantity of inhibitors being higher in the last two organs. No significant difference was observed between storage at -80°C, or in RNAlater RNA stabilization reagent.

L'utilisation du pentobarbital de sodium (PB), injecté par voie intrapéritonéale (IP), est décrite comme une technique acceptable par les directives d'euthanasie de l'AVMA et du CCPA pour tuer les rongeurs. Cependant, de plus en plus de preuves contestent l'acceptabilité de l'IP PB. Celle-ci a été décrite comme inconsistante et il existe des données suggérant que cette technique pourrait induire de la douleur et du stress. L'objectif de cette thèse était donc de développer et d'évaluer des méthodes alternatives d'euthanasie. Au cours de l'étude pilote, nous avons développé un protocole d'injection pour les injections intrahépatiques (IH) de PB. Ensuite, nous avons testé cette injection sur des souris et des rats. Comme objectif secondaire, nous avons évalué l'utilisation de l'éthanol (ET) comme alternative au PB pour l’euthanasie des souris. Pour les souris, quatre-vingts souris CD1 adultes (mâles et femelles- 26,8 g [23-34 g], moyenne [intervalle]) ont été assignées au hasard à 6 groupes de traitement et ont été tuées par des injections IH ou des injections IP, en utilisant soit ET ou PB. Le taux de mauvaise injection (mauvais placement du contenu de l'injection) pour les essais IH était de 93% (28/30), y compris 14% intrathoracique (4/28), le reste ayant abouti dans la cavité péritonéale telle une injection IP. Ainsi, seulement 7% (2/30) des injections ont donné lieu à une administration hépatique (selon l’évaluation d'autopsie). Les injections IH ayant abouti dans le foie ont entraîné des décès quasi instantanés. Ces données montrent que les injections IH ne sont pas réalisables chez la souris étant donné la difficulté à frapper le foie et le risque d'injections intrathoraciques. D'autre part, l'IP ET a produit des temps significativement (p = 0.010; Mann-Whitney) plus courts de l'injection à l'arrêt du rythme cardiaque (CHB) (115s [88-185] médian [intervalle]) par rapport à l'IP PB (176s [123-260]), confirmant que l'ET est une alternative viable et potentiellement supérieure à la PB. Pour les rats, 66 injections IH et 14 injections IP ont été tentées sur des rats Sprague-Dawley mâles et femelles adultes (poids médian 371g, plage 170-730g), et ont entraîné un délai significativement plus rapide pour la perte du réflexe de redressement (LORR) (p < 0.0001, 95%CI 68 to 88s, Mann-Whitney) et temps de CHB (p < 0.0001, 95%CI 82 to 234s, Mann-Whitney) par rapport aux injections IP. Le temps médian de LORR et CHB après les injections IH était de 4s [1 to 96] et 142.5s [2 to 330] respectivement; alors que le temps médian de LORR et CHB après les injections IP était de 89.5s [73 to 110] et 275s [237 to 423], respectivement. Le taux de mauvaise injection, basé sur les évaluations d’autopsie, était plus élevé avec les injections IH qu'avec les injections IP (IH: 59%, IP: 29%); cependant, 97% des mauvaises injections IH ont tout de même produit une euthanasie réussie et rapide (LORR: 29s [1 to 96], CHB: 216s [12 to 330]. Les injections IH sont donc une alternative efficace aux injections IP pour l'euthanasie chez le rat, et présentent moins de risques d'échec des tentatives d'euthanasie. / The use of sodium pentobarbital (PB), injected intraperitoneally (IP), for killing rodents is described as an acceptable technique by the American Veterinary Medical Association (AVMA) and Canadian Council on Animal Care (CCAC) euthanasia guidelines. However, there is a growing body of evidence challenging the acceptability of IP PB. It has been described as inconsistent and there is evidence that it may induce pain and stress. The objective of this thesis was to develop and evaluate alternative methods of euthanasia. During the pilot study, an injection protocol for intrahepatic (IH) injections of PB was developed and then tested on both mice and rats. As a secondary objective, the use of ethanol (ET) was evaluated as an alternative to PB for mice. For mice, eighty adult (male and female) CD1 mice (26.8g [23-34g], mean [range]) were randomly assigned to 6 treatment groups and were killed by IH injections or IP injections, using either ET or PB. the misinjection rate (misplacement of injectate) for IH injections was 93% (28/30), including 14% intrathoracic (4/28), and the remainder were IP delivery. Only 7% (2/30) of IH attempts resulted in successful IH delivery, per necropsy evaluation. These yielded quasi-instantaneous deaths. These data show that IH injections are not feasible in mice given the difficulty in hitting the liver and the risk of intrathoracic injections. On the other hand, IP ET produced significantly (p = 0.010; Mann-Whitney) shorter time from injection to cessation of heartbeat (CHB) (115s [88-185] median [range]) compared with IP PB (176s [123-260]), confirming that ET is a viable and potentially superior alternative to PB. For rats, 66 IH injections and 14 IP injections were attempted on adult male and female Sprague-Dawley rats (median weight 371g, range 170-730g), and resulted in significantly faster time to loss of righting reflex (LORR) (p < 0.0001, 95%CI 68 to 88s, Mann-Whitney) and time to CHB (p < 0.0001, 95%CI 82 to 234s, Mann-Whitney) compared with IP injections. Time to LORR and CHB following IH injections were: LORR of 4s [1 to 96], CHB of 142.5s [2 to 330]; compared with IP injections: LORR of 89.5s [73 to 110], CHB of 275s [237 to 423). The misinjection rate was higher with IH injections than with IP injections (IH: 59%, IP: 29%); however, 97 % of IH misinjections resulted in fast and successful euthanasia (LORR: 29s [1 to 96], CHB: 216s [12 to 330]. IH injections are thus an efficacious alternative to IP injections for rat euthanasia and pose less risk of failed euthanasia attempts.

Cette étude explore les réponses évoquées, l'activité intrinsèque et spontanée de deux populations neuronales différentes dans la région du cerveau correspondant à la patte arrière des souris. Dans cet article, nous nous sommes concentrés sur un modèle murin du syndrome de l'X fragile (SXF), qui est la forme la plus commune de syndrome de retard mental héréditaire et une cause fréquente de troubles du spectre autistique (TSA). SXF est un trouble à gène unique (Fmr1), qui peut être modélisé de manière fiable par un modèle murin transgénique : la souris Fmr1-/y déficiente pour le gène codant Fmr1. L'hyperexcitabilité des réseaux néocorticaux et l'hypersensibilité aux stimuli sensoriels sont des caractéristiques importantes du SXF et des TSA.Ceci est directement lié à un changement du nombre de synapses locales, de canaux ioniques, de l'excitabilité membranaire et de la connectivité des circuits de cellules individuelles. Précédemment, nous avons identifié un défaut dans les canaux ioniques, comme pouvant contribuer à ces phénotypes. Nous avons testé cette hypothèse comme un mécanisme contribuant aux défauts de traitement sensoriel chez les souris Fmr1-/y. Le cortex somatosensoriel primaire de la souris (S1) traite différentes informations sensorielles et constitue la plus grande zone du néocortex, soulignant l'importance de la modalité sensorielle pour le comportement des rongeurs. Nos connaissances concernant le traitement de l'information dans S1 proviennent d'études du cortex en tonneaux lié aux moustaches, mais le traitement des entrées sensorielles des pattes postérieures est mal compris. Par l’utilisation de la technique d’enregistrement de cellule entière par patch clamp in vivo, nous avons classes les cellules en répondeurs supraliminaires (cellules qui répondaient aux stimulations de la patte arrière avec un potentiel d'action), les répondeurs subliminaires (les cellules qui répondaient sans déclencher un potentiel d'action) et les cellules non répondeuses qui ne présentaient aucune réponse. Puis, nous avons comparé les réponses évoquées sub et supraliminaires, les propriétés intrinsèques et l’activité spontanée des neurones pyramidaux de la couche 2/3 (L2/3) de la region S1 de la patte arrière (S1-HP) d’animaux anesthésiés sauvage (WT) et Fmr1-/y. Nous avons identifié des altérations de réponse spontanée, intrinsèque et évoquée chez les souris Fmr1-/y. L’application d’un ouvreur de canaux ioniques BKCa a restauré certaines de ces propriétés altérées chez les souris Fmr1-/y / This study explores the evoked responses, intrinsic and spontaneous activity of two different neuronal populations in the hind paw region of the primary somatosensory cortex (S1) of mice. Initially, we explored information processing in these neurons under normal physiological conditions, and subsequently in a mouse model of Fragile X Syndrome (FXS). FXS is the most common form of inherited mental retardation syndrome and a frequent cause of autism spectrum disorders (ASD). FXS is a single gene (Fmr1) disorder, which can be reliably modeled by a mutant mouse model, the Fmr1 knockout (Fmr1-/y) mouse. Hyperexcitability of neocortical networks and hypersensibility to sensory stimuli are prominent features of FXS and ASD. We previously established a strong causal link between a channelopathy, hyperexcitability of neurons in the primary sensory region of the neocortex and sensory hypersensitivity in this mouse model. In the current study, we extended these findings, by conducting a detailed exploration of the processing of tactile sensory information (evoked by hind paw stimulation) in the neocortex of these mice.Most of our knowledge regarding information processing in S1 comes from studies of the whisker-related barrel cortex (which processes tactile-related sensory information derived from the whiskers), yet the processing of sensory inputs from the hind-paws is poorly understood. Using in vivo whole-cell patch-clamp recordings, we classified the cells into suprathreshold responders (the cells which responded to the hind-paw stimulations with an action potential), subthreshold responders (the cells responded without eliciting an action potential) and non-responder cells (neurons which did not show any response). We then compared the evoked sub- and supra-threshold responses, intrinsic properties, and spontaneous activity of layer (L) 2/3 pyramidal neurons of the S1 hind-paw (S1-HP) region of anaesthetized wild type (WT) and Fmr1-/y mice. We identified spontaneous, intrinsic and evoked response alterations in Fmr1-/y mice. We probed possible mechanisms contributing to this sensory impairment in Fmr1-/y mice. Finally, we tested the possibility of correcting pathophysiological alterations in these neurons using specific pharmacological agents targeting the ion channel defects described previously by our team.

Mon projet de thèse a porté sur les mécanismes neurodégénératifs dans le contexte de la maladie de Parkinson (MP). Cette maladie est caractérisée notamment par la présence d’inclusions intracytoplasmiques appelées corps de Lewy, dont le composant protéique principal est l’α-synucléine. L’absence de traitements curatifs à ce jour renforce la nécessité de comprendre les processus neurodégénératifs. L’objectif de mon travail de thèse fut de proposer une approche multifactorielle, translationnelle, basée sur trois axes complémentaires: modélisation, thérapeutique et mécanistique. Premièrement, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la MP par l’utilisation de vecteurs viraux. Cette première partie nous a permis de conclure que le vieillissement ne constitue pas un facteur de risque pour les trois espèces étudiées. Ensuite, nous avons étudié deux stratégies pour combattre la dysfonction lysosomale existant chez les patients, premièrement par une approche biotechnologique avec des nanoparticules permettant de restaurer le pH des lysosomes dysfonctionnels, et une stratégie de thérapie génique par surexpression d’un régulateur de la biogénèse lysosomale. Grâce à ce travail, nous avons démontré l’intérêt du lysosome comme cible thérapeutique. Enfin, nous nous sommes focalisés sur l’hypothèse « prion » pour les synucléinopathies. Dans ce projet, nous avons mis en œuvre une approche de modélisation chez le primate non-humain ainsi qu’une une approche thérapeutique anti-agrégative chez le rongeur. Ces travaux mettent en évidence le rôle clé de l’α-synucléine dans l’étiologie de la MP et proposent des pistes d’améliorations des modèles animaux actuels ainsi que des approches thérapeutiques innovantes / The aim of this work was to focus on neurodegenerative mechanisms in the context of synucleinopathies, especially on Parkinson’s disease (PD). PD is characterized by the loss of dopaminergic neurons and the presence of intracytoplasmic proteinaceous inclusions named Lewy Bodies of which α-synuclein (α-syn) is the main protein component. To date, there are no curative treatments. Elucidating mechanisms underlying neurodegeneration in PD will allow the identification of new molecular targets for therapeutic intervention. My Ph.D. work intends multifactorial and translational approaches based on modelling, therapeutic intervention and mechanistic studies. We first focused on the development of new animal models of PD based on the use of viral vector-mediated overexpression of α-syn. This word allowed us to conclude on the absence of additive effect of ageing in α-syn-related toxicity, at least in the three investigated species. Then, we worked on two therapeutic strategies to overcome the lysosomal dysfunction occurring in PD. To do so, we first developed a biotechnological approach based on the use of acidic nanoparticles restoring acidic pH of sick lysosomes, and then we used a gene therapy approach based on the overexpression on a central modulator lysosomal biogenesis. We here demonstrated the interest of restoration of lysosomal physiology. Finally, we tested the “prion-like” hypothesis in a cohort of nonhuman primates and assessed the efficacy of a therapeutic approach using an oligomer modulator in mice. This work highlights the central role of α-syn in PD etiology and offers innovative strategies for both modelling and therapeutic intervention.