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Despite the fact that the neurotransmitter dopamine was discovered more than 50 years ago, we still have limited knowledge of its physiological and pathological roles. Recent work has unveiled novel and surprising properties of dopamine neurons and of other key players involved in regulating the dopamine system. For example, the integration of the dopamine signal by its receptors depends on many proteins of diverse signaling pathways and also of other types of receptors that interact with and regulate dopamine receptors: many new promising interactions have been reported during the past few years. Also, we are beginning to discover that chronic treatment with dopamine receptor ligands or other molecules affecting dopaminergic pathways induce long-term molecular, structural and functional rearrangements that could ultimately force us to revisit the mechanism of action of established therapeutic agents. Finally, the discovery of glutamate co-release by dopamine neurons is leading us to reconsider some keys aspects of dopamine neuron physiology.

Acetylcholinesterases (AchE) are enzymes widely spread in the central nervous system (CNS) that allow the recycling of acetylcholine (Ach). The use of reversible/irreversible inhibitors of these enzymes prevents the degradation of Ach. Depending on the context of their use, AchE inhibitors can have a beneficial or detrimental impact on brain mechanisms. In the last decades, a class of irreversible AchE inhibitors considered as warfare nerve agents such as sarin gas have been used in various military conflicts and/or in several attacks against civilian populations. They cause an excessive accumulation of Ach in the SNC of people who have been in contact with them, which is considered as intoxication. The hyperexcitability of the CNS following intoxication generates a succession of symptoms that can be detected either in the short or long term, depending on the dose of the nerve agent. Studies following the Tokyo attacks in 1995 showed that even a low dose of toxic that did not cause the emergence of immediate symptoms was capable of generating cognitive disorders, particularly memory impairment, several years after exposure. However, the mechanisms underlying such disorders are still not well understood. AchE can also be used in a therapeutic context. Indeed, in Alzheimer's disease, a decrease in Ach levels are observed. Therefore, reversible AchE inhibitors such as Donepezil (DPZ) are used to maintain normal levels of Ach in the brain, thus allowing a proper brain functioning. The studies carried out in this thesis aimed to determine the effect of these AchE inhibitors on various brain mechanisms. The first study investigated the impact of high and low dose administration of an organophosphate (NIMP; analogue of sarin gas), an irreversible AchE inhibitor, on neuroinflammation using in vivo [¹⁸F]DPA-714 PET imaging. Longitudinal in vivo monitoring of neuroinflammation over several months allowed to identify a therapeutic window for neuroprotective treatment. For the second study a preclinical model of Alzheimer's disease (AD) was employed in order to evaluate in vivo the effects of Donepezil treatment on cerebral glucose metabolism using [¹⁸F]FDG PET. Various pathophysiological mechanisms (neuroinflammation, abnormal accumulation of misfolded proteins (AD)...) are associated with neurological diseases and may impact the blood-brain barrier (BBB) integrity. It is therefore essential to develop tools to quantify BBB permeability in vivo. In this context, a third project combining focused ultrasound and PET was set up in order to investigate the potential of [¹⁸F]FDS PET imaging as a quantitative biomarker of BBB integrity in vivo. In the course of this thesis, PET imaging allowed to investigate different brain functions (neuroinflammation, cerebral glucose metabolism, integrity of the BBB) in order to assess i) changes in brain mechanisms in a longitudinal manner, ii) a therapeutic follow-up and iii) validate a new biomarker., Les acétylcholinestérases (AchE) sont des enzymes largement distribuées au sein du système nerveux central (SNC) permettant le recyclage de l’acétylcholine (Ach). L’utilisation d’inhibiteurs réversibles/irréversibles de ces dernières empêchent la dégradation de l’Ach. Suivant le contexte d’utilisation, les inhibiteurs des AchE peuvent avoir un impact bénéfique ou néfaste sur les mécanismes cérébraux. Ces dernières décennies, une classe d’inhibiteurs irréversibles des AchE considérés comme des neurotoxiques de guerre tel que le gaz sarin ont été utilisés lors de divers conflits militaires et/ou lors d’attaques ciblant les populations civiles. Ils provoquent une accumulation anormalement élevée d’Ach au sein du SNC des personnes ayant été en contact avec ces derniers, on parle alors d’intoxication. L’hyperexcitabilité du SNC suite à l’intoxication engendre une succession de symptômes détectables soit sur le court ou le long terme selon la dose de toxique à laquelle les personnes ont été exposés. Des études suite aux attentats de Tokyo en 1995 ont mis en évidence que même une faible dose de toxique ne provoquant pas l’apparition de symptômes immédiats était capable de générer des troubles cognitifs notamment mnésiques des années post-exposition. Cependant les mécanismes sous-jacents à de tels troubles restent encore méconnus. L’utilisation des inhibiteurs d’AchE est aussi possible dans un contexte thérapeutique. En effet, dans la maladie d’Alzheimer une diminution des taux d’Ach est observée. Des inhibiteurs cette fois-ci réversibles des AchE comme le Donépézil (DPZ) sont alors utilisés pour maintenir des taux normaux d’Ach dans le cerveau permettant ainsi son bon fonctionnement. Les études réalisées au cours de cette thèse ont pour but de déterminer l’effet de ces inhibiteurs d’AchE sur divers mécanismes cérébraux. La première étude a permis d’analyser l’impact de l’administration d’une forte et d’une faible dose d’un organophosphoré (NIMP ; analogue du gaz sarin), un inhibiteur irréversible des AchE, sur la neuroinflammation en imagerie TEP in vivo via l’utilisation du radiotraceur [¹⁸F]DPA-714. Le suivi de la neuroinflammation in vivo sur plusieurs mois a permis de déterminer une fenêtre thérapeutique d’action pour tester un traitement neuroprotecteur. Pour la deuxième étude un modèle préclinique de la maladie d’Alzheimer (MA) a été employé afin d’évaluer in vivo les effets d’un traitement avec le Donépézil sur le métabolisme cérébral du glucose en utilisant l’imagerie TEP au [¹⁸F]FDG. Divers mécanismes pathophysiologiques (neuroinflammation, accumulation anormale de protéines mal conformées (MA)…) sont associés aux maladies neurologiques et peuvent impacter l’étanchéité de la barrière hématoencéphalique (BHE). Il est donc primordial d’avoir des outils permettant la quantification de la perméabilité de la BHE in vivo. Dans ce cadre, un troisième projet utilisant la technique des ultrasons focalisés mis au point au laboratoire a permis de repositionner l’imagerie TEP au [¹⁸F]-2- fluoro-2-désoxy-sorbitol ([¹⁸F]FDS) comme biomarqueur quantitatif de l’intégrité de la BHE in vivo. Au cours de cette thèse l’imagerie TEP a permis d’investiguer différents fonctionnalités cérébrales (neuroinflammation, métabolisme cérébral du glucose, intégrité de la BHE) afin de i) réaliser un suivi longitudinal, ii) un suivi thérapeutique et iii) valider un nouveau biomarqueur.

Acetylcholinesterases (AchE) are enzymes widely spread in the central nervous system (CNS) that allow the recycling of acetylcholine (Ach). The use of reversible/irreversible inhibitors of these enzymes prevents the degradation of Ach. Depending on the context of their use, AchE inhibitors can have a beneficial or detrimental impact on brain mechanisms. In the last decades, a class of irreversible AchE inhibitors considered as warfare nerve agents such as sarin gas have been used in various military conflicts and/or in several attacks against civilian populations. They cause an excessive accumulation of Ach in the SNC of people who have been in contact with them, which is considered as intoxication. The hyperexcitability of the CNS following intoxication generates a succession of symptoms that can be detected either in the short or long term, depending on the dose of the nerve agent. Studies following the Tokyo attacks in 1995 showed that even a low dose of toxic that did not cause the emergence of immediate symptoms was capable of generating cognitive disorders, particularly memory impairment, several years after exposure. However, the mechanisms underlying such disorders are still not well understood. AchE can also be used in a therapeutic context. Indeed, in Alzheimer's disease, a decrease in Ach levels are observed. Therefore, reversible AchE inhibitors such as Donepezil (DPZ) are used to maintain normal levels of Ach in the brain, thus allowing a proper brain functioning. The studies carried out in this thesis aimed to determine the effect of these AchE inhibitors on various brain mechanisms. The first study investigated the impact of high and low dose administration of an organophosphate (NIMP; analogue of sarin gas), an irreversible AchE inhibitor, on neuroinflammation using in vivo [¹⁸F]DPA-714 PET imaging. Longitudinal in vivo monitoring of neuroinflammation over several months allowed to identify a therapeutic window for neuroprotective treatment. For the second study a preclinical model of Alzheimer's disease (AD) was employed in order to evaluate in vivo the effects of Donepezil treatment on cerebral glucose metabolism using [¹⁸F]FDG PET. Various pathophysiological mechanisms (neuroinflammation, abnormal accumulation of misfolded proteins (AD)...) are associated with neurological diseases and may impact the blood-brain barrier (BBB) integrity. It is therefore essential to develop tools to quantify BBB permeability in vivo. In this context, a third project combining focused ultrasound and PET was set up in order to investigate the potential of [¹⁸F]FDS PET imaging as a quantitative biomarker of BBB integrity in vivo. In the course of this thesis, PET imaging allowed to investigate different brain functions (neuroinflammation, cerebral glucose metabolism, integrity of the BBB) in order to assess i) changes in brain mechanisms in a longitudinal manner, ii) a therapeutic follow-up and iii) validate a new biomarker., Les acétylcholinestérases (AchE) sont des enzymes largement distribuées au sein du système nerveux central (SNC) permettant le recyclage de l’acétylcholine (Ach). L’utilisation d’inhibiteurs réversibles/irréversibles de ces dernières empêchent la dégradation de l’Ach. Suivant le contexte d’utilisation, les inhibiteurs des AchE peuvent avoir un impact bénéfique ou néfaste sur les mécanismes cérébraux. Ces dernières décennies, une classe d’inhibiteurs irréversibles des AchE considérés comme des neurotoxiques de guerre tel que le gaz sarin ont été utilisés lors de divers conflits militaires et/ou lors d’attaques ciblant les populations civiles. Ils provoquent une accumulation anormalement élevée d’Ach au sein du SNC des personnes ayant été en contact avec ces derniers, on parle alors d’intoxication. L’hyperexcitabilité du SNC suite à l’intoxication engendre une succession de symptômes détectables soit sur le court ou le long terme selon la dose de toxique à laquelle les personnes ont été exposés. Des études suite aux attentats de Tokyo en 1995 ont mis en évidence que même une faible dose de toxique ne provoquant pas l’apparition de symptômes immédiats était capable de générer des troubles cognitifs notamment mnésiques des années post-exposition. Cependant les mécanismes sous-jacents à de tels troubles restent encore méconnus. L’utilisation des inhibiteurs d’AchE est aussi possible dans un contexte thérapeutique. En effet, dans la maladie d’Alzheimer une diminution des taux d’Ach est observée. Des inhibiteurs cette fois-ci réversibles des AchE comme le Donépézil (DPZ) sont alors utilisés pour maintenir des taux normaux d’Ach dans le cerveau permettant ainsi son bon fonctionnement. Les études réalisées au cours de cette thèse ont pour but de déterminer l’effet de ces inhibiteurs d’AchE sur divers mécanismes cérébraux. La première étude a permis d’analyser l’impact de l’administration d’une forte et d’une faible dose d’un organophosphoré (NIMP ; analogue du gaz sarin), un inhibiteur irréversible des AchE, sur la neuroinflammation en imagerie TEP in vivo via l’utilisation du radiotraceur [¹⁸F]DPA-714. Le suivi de la neuroinflammation in vivo sur plusieurs mois a permis de déterminer une fenêtre thérapeutique d’action pour tester un traitement neuroprotecteur. Pour la deuxième étude un modèle préclinique de la maladie d’Alzheimer (MA) a été employé afin d’évaluer in vivo les effets d’un traitement avec le Donépézil sur le métabolisme cérébral du glucose en utilisant l’imagerie TEP au [¹⁸F]FDG. Divers mécanismes pathophysiologiques (neuroinflammation, accumulation anormale de protéines mal conformées (MA)…) sont associés aux maladies neurologiques et peuvent impacter l’étanchéité de la barrière hématoencéphalique (BHE). Il est donc primordial d’avoir des outils permettant la quantification de la perméabilité de la BHE in vivo. Dans ce cadre, un troisième projet utilisant la technique des ultrasons focalisés mis au point au laboratoire a permis de repositionner l’imagerie TEP au [¹⁸F]-2- fluoro-2-désoxy-sorbitol ([¹⁸F]FDS) comme biomarqueur quantitatif de l’intégrité de la BHE in vivo. Au cours de cette thèse l’imagerie TEP a permis d’investiguer différents fonctionnalités cérébrales (neuroinflammation, métabolisme cérébral du glucose, intégrité de la BHE) afin de i) réaliser un suivi longitudinal, ii) un suivi thérapeutique et iii) valider un nouveau biomarqueur.