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Neurodegenerative diseases are a major public health issue. Parkinson's disease (PD), dementia with Lewy bodies (DLB) and multiple system atrophy (MSA) are part of a family related to the pathological accumulation of a protein, α-synuclein (α- syn), and called synucleinopathies. To date, there is no pre-mortem formal diagnosis method for these diseases and the final confirmation only relies on postmortem studies. While the occurrence mechanisms remain unclear, exploration of neurotransmitter systems and metabolic pathways could bring more information on the underlying pathophysiological processes. The aims of this PhD work were (1) to develop the first radioligand targeting α-syn as an early diagnostic tool and (2) to investigate, with PET imaging, how neurotransmitter systems relates to pathophysiological mechanisms in an accelerated mouse model of synucleinopathy. In the first part of this study, we demonstrated the inability of in vivo PET imaging with [18F]BF227 to label α-syn aggregates in a model of synucleinopathy. The second part allowed the development of a competitive radioligand binding assay to determine α-syn binding parameters of non-radioactive candidate molecules. Twelve ligands were tested in vitro. Currently, no compound appears to present ideal α-syn binding properties. The last part of this study highlighted a serotoninergic hypometabolism and the overexpression of 5-HT1A receptors at an early stage of the disease in the synucleinopathy mouse model. Finally, this study demonstrated the advantages and limitations of PET imaging and animal models for the development of radiotracer and for the exploration of pathophysiological mechanisms, Les maladies neurodégénératives sont un sujet de santé publique majeur. La maladie de Parkinson (MP), la démence à corps de Lewy (DCL) et l'atrophie multisystématisée (AMS) font partie d'une famille liées à l'accumulation pathologique d'une protéine : l'α-synucléine (α-syn), appelées les synucléinopathies. Il n'existe pas méthode de diagnostic formel pre-mortem de ces pathologies. À ce jour, la confirmation définitive de synucléinopathies n'est possible que sur des études post-mortem. Le mécanisme de survenue reste incompris. L'exploration des systèmes de neurotransmission et des voies métaboliques pourrait permettre d'élucider ces mécanismes. Les travaux effectués au cours de cette thèse se positionnent dans une optique de développement d'un outil de diagnostic précoce et de compréhension des mécanismes physiopathologiques grâce à l'imagerie TEP. Dans une première partie, nous avons caractérisé et validé un modèle murin de synucléinopathies. Nous avons conclu que le [18F]BF227 ne pouvait être employé comme radiotraceur des agrégats d'α-syn. La seconde partie a permis la mise au point d'une technique d'évaluation de l'affinité de molécules pour une cible donnée. Douze ligands froids ont pu être testés in vitro. Actuellement, aucun composé ne semble présenter les critères pour être un radiotraceur idéal. Enfin, la dernière partie a mis en évidence un hypométabolisme glucidique ainsi qu'une surexpression des récepteurs 5-HT1A à un stade précoce de la pathologie. Au final, cette étude a montré l'intérêt et les limites de l'imagerie TEP et des modèles animaux pour le développement d'un nouveau radiotraceur ainsi que pour l'exploration des mécanismes physiopathologiques