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The representation and position of the body in space as well as the stabilization of gaze and posture heavily depend of head movements. Thus, the vestibular system uses two types of inertial sensors: the semi-circular canals for the detection of rotations of the head and otolith organs sensitive to its translation. The integration of this inertial information is partly done in the nodulo-uvular complex (CNU) and electrophysiological recordings of Purkinje cells (CP) in its median part, have shown a more complex integration of vestibular information than estimated until there. However, the anatomical, molecular and cellular organization of the CNU has so far not been considered in the interpretation of the CNU Purkinje cell dynamics. In order to apprehend this anatomo-functional regionalization, electrophysiological recordings in its lateral part were performed during natural and spontaneous movements in the rat and a re-analysis of the median data was done. The results presented in this thesis corroborate those previously published but also reveal an inter-lobular and medio-lateral organization of CP activity, showing an unequal distribution of inertial sensitivities. In addition, the existence of a new class of cells anticipating movement has been revealed and constitutes an additional argument to the integration of an "efferent copy" signal within the CNU.; La représentation et la position du corps dans l'espace ainsi que la stabilisation du regard et de la posture dépendent fortement des mouvements de la tête. Pour ce faire, le système vestibulaire utilise deux types de capteurs inertiels : les canaux semi-circulaires pour la détection de la rotation de la tête et les organes à otolithes sensibles à sa translation. L’intégration de cette information inertielle s’effectue en partie dans complexe nodulo-uvulaire (CNU) et des enregistrements électrophysiologiques de cellules de Purkinje (CP) dans sa partie médiane, ont montré une intégration plus complexe de l’information vestibulaire que celle estimée jusque-là. Toutefois, l'organisation anatomique, moléculaire et cellulaire du CNU n’a, à ce jour, pas été considérée dans l’interprétation de la dynamique des cellules de Purkinje du CNU. Afin d’appréhender cette régionalisation anatomo-fonctionnelle, des enregistrements électrophysiologiques dans sa partie latérale ont été réalisés au cours de mouvements naturels et spontanés chez le rat et une ré-analyse des données médianes a été effectuée. Les résultats présentés dans cette thèse corroborent ceux publiés précédemment mais révèlent également une organisation inter-lobulaire et médio-latérale de l’activité des CP, montrant une répartition inégale des sensibilités inertielles. Par ailleurs, l’existence d’une nouvelle classe de cellules anticipant le mouvement a été révélée et constitue un argument supplémentaire à l’intégration d’un signal de « copie efférente » au sein du CNU.

The principle of efficient coding suggests that processing in the early visual system should be optimized and adapted to the environmental statistics. An intracellular study of the primary visual cortex (V1) in the anesthetized and paralyzed cat showed that the reliability of the neural response is optimized for natural statistics. Using the same natural and artificial stimuli, we recorded the neuronal population activity (single unit, multi-unit and local field potentials) in cat’s V1 with high-density linear silicon probes. We first investigated the reliability and of the mesoscopic signal with the intracellular signal and explored its laminar dependency. Our results showed that natural images evoke, at all scales, the most reliable response, suggesting that V1 is better suited to efficiently encode natural statistics. In addition, granular and infragranular layers displayed higher reliability levels than the supragranular one. This argues for a functional filtering of the pertinent information between these layers. We also explored which statistics of the natural images produce this reliable response. Finally, we specifically addressed the role of the correlations between neurons (within and between layers) by measuring the amount of shared variability and signal of the neuronal population in response to our stimulus set. We observed that natural images always evoked higher correlations. We did not observe a strong decorrelation at the single cell level but instead at the scale of groups of neurons, with those that are close together being more correlated and farther apart less correlated, arguing for a functional clustering of the neurons into coherent “neural mass”.; Le principe de codage efficace suggère que le traitement des informations dans le système visuel primaire est optimisé et adapté aux statistiques de l’environnement. Une étude intracellulaire menée dans le cortex visuel primaire (V1) du chat anesthésié et paralysé a démontré que la reproductibilité des réponses neuronales est optimisée lorsque des statistiques naturelles sont présentées. En utilisant les mêmes stimuli artificiels et naturels, nous avons enregistré, à l’aide d’électrodes laminaires denses, l’activité neuronale (activité unitaire, multi-unitaire et potentiel de champ local) dans le cortex visuel primaire du chat. Dans un 1er temps, nous avons étudié la reproductibilité de l’activité neuronale et sa dépendance laminaire. Nos résultats démontrent que les images naturelles induisent toujours la réponse la plus reproductible, suggérant une optimisation de V1 dans le traitement des statistiques naturelles. De plus, nous avons montré que les couches 4 et 5/6 présentent des réponses plus reproductibles que la couche 2/3. Cela suggère qu’un « filtrage fonctionnel » des informations pertinentes se produit entre ces différents compartiments laminaires. Dans un 2nd temps nous avons étudié la corrélation de la réponse ou de la variabilité de la réponse de neurones situés dans une même couche ou dans des couches différentes. Les niveaux de corrélation sont les plus élevées lorsque les images naturelles sont présentées. De plus, les corrélations sont plus fortes au sein d’une même couche qu’entre deux couches. Cela suggère qu’un regroupement fonctionnel des neurones se produit afin d’optimiser l’encodage de l’information visuelle.

The principle of efficient coding suggests that processing in the early visual system should be optimized and adapted to the environmental statistics. An intracellular study of the primary visual cortex (V1) in the anesthetized and paralyzed cat showed that the reliability of the neural response is optimized for natural statistics. Using the same natural and artificial stimuli, we recorded the neuronal population activity (single unit, multi-unit and local field potentials) in cat’s V1 with high-density linear silicon probes. We first investigated the reliability and of the mesoscopic signal with the intracellular signal and explored its laminar dependency. Our results showed that natural images evoke, at all scales, the most reliable response, suggesting that V1 is better suited to efficiently encode natural statistics. In addition, granular and infragranular layers displayed higher reliability levels than the supragranular one. This argues for a functional filtering of the pertinent information between these layers. We also explored which statistics of the natural images produce this reliable response. Finally, we specifically addressed the role of the correlations between neurons (within and between layers) by measuring the amount of shared variability and signal of the neuronal population in response to our stimulus set. We observed that natural images always evoked higher correlations. We did not observe a strong decorrelation at the single cell level but instead at the scale of groups of neurons, with those that are close together being more correlated and farther apart less correlated, arguing for a functional clustering of the neurons into coherent “neural mass”., Le principe de codage efficace suggère que le traitement des informations dans le système visuel primaire est optimisé et adapté aux statistiques de l’environnement. Une étude intracellulaire menée dans le cortex visuel primaire (V1) du chat anesthésié et paralysé a démontré que la reproductibilité des réponses neuronales est optimisée lorsque des statistiques naturelles sont présentées. En utilisant les mêmes stimuli artificiels et naturels, nous avons enregistré, à l’aide d’électrodes laminaires denses, l’activité neuronale (activité unitaire, multi-unitaire et potentiel de champ local) dans le cortex visuel primaire du chat. Dans un 1er temps, nous avons étudié la reproductibilité de l’activité neuronale et sa dépendance laminaire. Nos résultats démontrent que les images naturelles induisent toujours la réponse la plus reproductible, suggérant une optimisation de V1 dans le traitement des statistiques naturelles. De plus, nous avons montré que les couches 4 et 5/6 présentent des réponses plus reproductibles que la couche 2/3. Cela suggère qu’un « filtrage fonctionnel » des informations pertinentes se produit entre ces différents compartiments laminaires. Dans un 2nd temps nous avons étudié la corrélation de la réponse ou de la variabilité de la réponse de neurones situés dans une même couche ou dans des couches différentes. Les niveaux de corrélation sont les plus élevées lorsque les images naturelles sont présentées. De plus, les corrélations sont plus fortes au sein d’une même couche qu’entre deux couches. Cela suggère qu’un regroupement fonctionnel des neurones se produit afin d’optimiser l’encodage de l’information visuelle.

Songs of songbirds, such as speech in humans, requires fine recognition of emitted acoustic signals. But bird's song isn’t only a succession of sound elements, called syllables. The order of syllables follows rules, and, from a behavioral point of view, birds can discriminate songs according to this order. Moreover, since they have a set of specialized brain regions in the perception, production and learning of singing, they are a major model for studying neural mechanisms involved in the processing of temporal order of acoustic signals. During this thesis, the focus was on two studies based on electrophysiological recordings (extracellular) of neurons activity during the song diffusion.The first study focused on the treatment of order in an analog area of the mammalian secondary auditory cortex, the caudomedial nidopallium (NCM), in one species, the zebra finch (Taeniopygia guttata), able to discriminate songs according to syllables order. NCM neurons responses decrease during iterations of a stimulus and increase if a new song is presented. Based on this adaptation property, we have shown that it's not necessary to change the song, a change in the order of syllables is sufficient to re-establish responses. Changing the order changes the acoustic context of the syllable (what comes before is different), so the NCM neurons would be sensitive to this context. To go further, we used as stimuli a short sequence composed of 2 different syllables, A and B, organized according to ABAB or AABB grammatical structures. The results show that the neurons detect this difference in structure, providing an additional argument to the hypothesis of a treatment depending on how the syllables follow each other in a song.The second study focused on the treatment of the order of syllables in a sensorimotor area, the HVC (proper noum), in the canary (Serinus canaria). HVC neurons have already been identified as sensitive to syllable order in the bird's own song (BOS). The canary produces complex songs composed of successive phrases, themselves containing repetitions of the same syllable. The arrangement of the phrases in the songs depends on transition probabilities and leads to the formation of stereotyped and recurrent sequences, called chunks. In addition, the position of sentences varies from one sentence to another. The activity of the HVC neurons was recorded during the diffusion of one of the BOS composed of 3 chunks and variants: BOS in which only the order of the phrases in a chunk or only the order of the chunks, is changed. The results show a stronger impact on the neuronal responses, of changes in the order of the chunks than in the order of sentences in the chunks. At the contrary to a study of another species of bird, our results don’t provide any arguments in favor of the idea that order sensitivity is based on a treatment of transition probabilities between phrases. They suggest that the sensitivity of neurons extends over several phrases, beyond the structure of the chunks themselves and depends on chunks order in the song.These studies show that responses of neurons to a given syllable or phrase depend on what precedes it, whether at the level of a sensorimotor area or a high-level auditory area. At the HVC level, this sensitivity to context can extend over several phrases, and therefore several seconds, to consider how the order of words of human language could be treated at the neuronal level.; Le chant des oiseaux, comme le langage oral chez les humains, nécessite une reconnaissance fine des signaux acoustiques émis. Mais un chant d’oiseau n’est pas qu’une simple succession d’éléments sonores, appelés syllabes. L’agencement des syllabes suit des règles, et, d’un point de vue comportemental, les oiseaux peuvent discriminer les chants en fonction de cet agencement. Comme ils possèdent, de plus, un ensemble de régions cérébrales spécialisées dans la perception, la production et l’apprentissage du chant, ils sont un très bon modèle d’étude des mécanismes neuronaux impliqués dans le traitement de l’ordre temporel des signaux acoustiques. Au cours de cette thèse, cette question a été le cœur de deux études basées sur des enregistrements électrophysiologiques (extracellulaires) de l’activité des neurones lors de la diffusion de chants.La première étude a porté sur le traitement de l’ordre au niveau d’une aire analogue du cortex auditif secondaire des mammifères, le nidopallium caudo-médian (NCM), chez une espèce, le diamant mandarin (Taeniopygia guttata), capable de discriminer des chants suivant l’agencement des syllabes. Les neurones du NCM ont la particularité d’avoir des réponses qui diminuent lors des répétitions d’un stimulus et qui augmentent si un nouveau chant est présenté. En se basant sur cette propriété d’adaptation, nous avons montré qu’il n’est pas nécessaire de changer de chant, un changement de l’ordre des syllabes suffit à réinstaller des réponses. Changer l’ordre modifie le contexte acoustique dans lequel se trouve une syllabe (ce qui précède est différent), les neurones du NCM seraient donc sensibles à ce contexte. Pour aller plus loin, nous avons utilisé comme stimuli de courtes séquences composées de 2 syllabes différentes, A et B, organisées selon les structures grammaticales ABAB ou AABB. Les résultats montrent que les neurones détectent cette différence de structure, apportant un argument supplémentaire à l’hypothèse d’un traitement de la façon dont les syllabes se succèdent dans un chant.La deuxième étude a porté sur le traitement de l’ordre des syllabes dans une aire sensori-motrice, le HVC, chez le canari (Serinus canaria). Les neurones du HVC ont déjà été identifiés comme sensibles à l’ordre des syllabes dans le propre chant de l’oiseau (bird’s own song ou BOS). Le canari produit des chants complexes composés de phrases successives, elles-mêmes contenant des répétitions d’une même syllabe. L’agencement des phrases dans les chants est régi par des probabilités de transition et conduit à former des séquences stéréotypées et récurrentes dans les chants, les chunks. De plus, la position des phrases varie d’une phrase à l’autre. L’activité des neurones du HVC a été enregistrée lors de la diffusion d’un des BOS de l’oiseau composé de 3 chunks et de variantes : le BOS dans lequel seul l’ordre des phrases dans un chunk ou seul l’ordre des chunks est modifié. Les résultats montrent un impact plus fort des modifications de l’ordre des chunks que de l’ordre des phrases dans les chunks, sur les réponses neuronales. Contrairement à une étude chez une autre espèce d’oiseau, nos résultats n’apportent pas d’arguments en faveur de l’idée que la sensibilité à l’ordre repose sur un traitement des probabilités de transition entre les phrases. Ils suggèrent que la sensibilité des neurones s’étend sur plusieurs phrases, au-delà de la structure des chunks eux-mêmes et dépend de l’ordre des chunks dans le chant.Ces études montrent que les réponses des neurones à une syllabe ou à une phrase donnée dépendent de ce qui la précède, que ce soit au niveau d’une aire sensorimotrice ou d’une aire auditive de haut niveau. Au niveau du HVC, cette sensibilité au contexte peut s’étendre sur plusieurs phrases, et donc plusieurs secondes, permettant d’envisager comment l’ordre des mots du langage humain pourrait être traité au niveau neuronal.

Extinction learning is defined as the decline of conditioned fear responses with the repeated exposure to feared stimuli and is thought to be the basis of common behavioral treatments for affective disorders. Critically, both its experimental and clinical versions are context-dependent, and fear reduction fails to generalize outside of the context where the training takes place (fear renewal). Emotional learning and fear behavior control depend upon a network of brain structures including notably the amygdala, the hippocampus, and the medial prefrontal cortex. The aim of the PhD work presented here was to study the behavioral processes characterizing fear extinction as well as their underpinning neural mechanisms. This PhD included five different projects. 1) We showed with optogenetics that the activity of the anatomical pathway connecting the hippocampus and the medial prefrontal cortex affects contextual fear expression after extinction. 2) We validated the use of head-mounted inertial sensors for the detection of freezing behavior (an important index of fear in rodents). 3) We established a novel extinction training paradigm in a semi-naturalistic setting that allowed separating individuals into different behavioral phenotypes predicting their vulnerability to fear renewal. 4) We developed a new algorithm for the detection of cell assemblies in high-density neural recordings with unprecedented accuracy and precision. 5) We collected the data of a still ongoing project aimed at the characterization of potential circuit dynamics supporting extinction memory consolidation in the amygdala-hippocampus-medial prefrontal cortex network., L'extinction de la peur se définit comme le déclin du comportement de peur conditionné, via l'exposition répétée à des stimuli anxiogènes. C'est un modèle expérimental pour l'étude de l'apprentissage, mais aussi la base de certaines thérapies cliniques cognitivo-comportementales utilisées pour traiter l'anxiété ou les troubles post-traumatiques. Cependant, ses versions expérimentales et cliniques sont inopportunément dépendantes du contexte et il y a renouvellement de la peur en dehors de l’environnement où l’extinction a lieu. C’est pour cette raison que le présent travail de thèse a cherché d’étudier les processus comportementaux qui caractérisent l’extinction de la peur ainsi que les mécanismes neuronaux sous-jacents. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur 5 projets. Sur le plan de la neurophysiologie, nous nous sommes concentrés sur le cortex préfrontal médian, l’hippocampe et l’amygdale et leurs relations fonctionnelles. Il a été démontré que ces trois structures forment un réseau jouant un rôle essentiel dans l’apprentissage émotionnel et le contrôle du comportement de peur. 1) Grâce à des techniques d'optogénétique, nous avons montré que l’activité de la voie anatomique connectant l’hippocampe au cortex préfrontal médian affecte l’expression de la peur contextuelle après l’extinction. 2) Nous avons validé l’utilisation de capteurs inertiels positionnés sur la tête pour la détection du comportement d’immobilisation défensif dit freezing (indice de peur très utilisé chez le rongeur). 3) Avec un nouveau paradigme d’extinction expérimentale pour le rongeur dans un cadre permettant une expression comportementale plus variée, nous avons pu quantifier des comportements multiples et grouper les individus en fonction de leur vulnérabilité au renouvellement de la peur. 4) Afin d’analyser les assemblées cellulaires dans des enregistrements électrophysiologiques à haute densité, nous avons développé un nouvel algorithme qui détecte leurs activations avec une précision non documentée jusqu'à présent. 5) Nous avons recueilli des données électrophysiologiques afin de caractériser la dynamique neuronale sous tendant la mémoire d’extinction dans le réseau amygdalo-hippocampo-prefrontal.

The hippocampus is a key structure for learning and memory. The function of this neuronal circuit is based on complex interactions between excitatory glutamatergic pyramidal cells and various types of inhibitory GABAergic interneurons. The precise roles fullfiled by interneuron subtypes is still unclear because it is challenging to study in vivo the inhibitory function of specific interneurons. Alterations of the synaptic interactions between pyramidal cells and interneurons in the hippocampus also underlie neurological pathologies such as epilepsy, neurodevelopmental diseases such as autism, or neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease. Among the different types of interneurons, those that express parvalbumin (PV) and project to pyramidal cell bodies (perisomatic inhibition) are particularly efficient in blocking action potential generation in their target cells. PV interneurons therefore play a central role in neuronal coding (by controlling which cell can fire or not) but also in the balance between global excitation and inhibition within the circuit, prevention runaway excitation between interconnected pyramidal cells and the generation of epileptic seizure. Functional perisomatic inhibition directly depends on Cl- electrochemical gradient, or the interaction between membrane potential and Cl- distribution across the membrane of the target neuron. However, these parameters change continuously during neuronal activity, and it has been shown that the Cl- gradient can be reversed, resulting in paradoxically excitatory GABAergic transmission. This phenomenon, which contributes to the physiological maturation of neuronal circuits during early development, is also considered as a major source of neuronal circuit dysfunction in various pathologies such as epilepsy, autism or schizophrenia. This field of research is therefore clinically relevant, and the research for drugs restoring a physiological Cl- gradient is very active. However, a direct assessment of the excitatory GABA hypothesis has been hindered by the technical difficulty of probing endogenous GABAergic synaptic function in vivo, and contradictory data in the literature call for a direct evaluation. During my PhD, using electrophysiological, opto- and pharmaco-genetic techniques, I have contributed to develop a new and sophisticated methodological approach to evaluate the perisomatic GABAergic transmission in the hippocampus, respecting the complexity of spontaneous neuronal activity dynamics in vivo. I have studied the functional role of perisomatic inhibition from PV interneurons in the adult hippocampal circuit, in physiological conditions and in two models of epileptic mice in which I was able to detect an excitatory GABAergic transmission in vivo. However, excitatory GABA was unlikely to participate in epileptogenesis because it was expressed only during the period of post-ictal silence after acute seizures, or in a potentially negligible minority of pyramidal cells one week post-status epilepticus during the latent period that precedes the emergence of chronic epilepsy, a stage during which I also demonstrated that the majority of CA3 pyramidal neurons were no longer under perisomatic inhibitory control. In addition to contribute to a better understanding of epileptogenesis, this approach constitutes an invaluable tool to quantify the actual in vivo efficacy of drugs designed to modulate Cl- homeostasis and restore physiological GABAergic inhibition, thereby meeting high clinical and therapeutical expectations., L'hippocampe est une structure essentielle pour les processus d’apprentissage et la mémoire. Le fonctionnement de ce circuit neuronal repose sur des interactions complexes entre cellules pyramidales glutamatergiques excitatrices et divers types d'interneurones GABAergiques inhibiteurs, dont on connait mal les rôles exacts car il est très difficile d'étudier in vivo la fonction inhibitrice issue d'interneurones spécifiques. L'altération des interactions synaptiques entre cellules pyramidales et interneurones de l'hippocampe est de plus à la base de pathologies neurologiques telle que l'épilepsie, neurodéveloppementales telle que l'autisme, ou neurodégénératives telle que la maladie d'Alzheimer. Parmi les différents types d'interneurones, ceux qui expriment la parvalbumine (PV) et dont l'axone projette sur les corps cellulaires (inhibition périsomatique) des cellules pyramidales ont une organisation anatomique qui les rend particulièrement efficaces pour bloquer la décharge de potentiels d'action chez leurs cellules cibles. C'est la raison pour laquelle on considère qu'ils jouent un rôle particulièrement important non seulement dans le codage de l'information (en contrôlant quelle cellule est en mesure ou non de décharger) mais aussi dans l'équilibre du circuit, pour éviter que l'excitation réciproque entre cellules pyramidales ne dégénère en crise d'épilepsie. L'efficacité de cette inhibition dite périsomatique dépend largement du gradient électrochimique des ions chlorure (Cl-), c'est à dire la combinaison entre le potentiel membranaire et la répartition des ions Cl- entre l'intérieur et l'extérieur du neurone cible. Or, ces paramètres ne cessent de changer au fil de l'activité neuronale, et il a même été démontré que le gradient Cl- pouvait s'inverser, générant un effet paradoxalement excitateur de la transmission GABAergique. Ce phénomène, qui participerait à la mise en place physiologique des circuits neuronaux immatures, est aujourd'hui également considéré comme une source majeure de dérèglement des circuits neuronaux dans diverses pathologies comme l'épilepsie, l'autisme ou la schizophrénie. Il s'agit donc d'un champs de recherche aux implications cliniques directes, et la recherche de drogues permettant de restaurer un gradient Cl- physiologique représente un espoir thérapeutique majeur, mais les données contradictoires de la littérature appellent à la recherche d'une évaluation directe, qui n'a pas été réalisée jusque-là faute de disposer d'une approche technique adéquate. Pendant ma thèse, par des techniques d'électrophysiologie, d’opto- et de pharmaco-génétique, j'ai contribué à la mise au point d'une nouvelle approche méthodologique sophistiquée d'évaluation de la transmission GABAergique périsomatique dans l'hippocampe, à même de respecter la complexité des dynamiques de l'activité neuronale spontanée in vivo. Mon travail de thèse a consisté à étudier le rôle fonctionnel des interneurones parvalbumine (PV) de l'inhibition périsomatique dans le circuit hipocampique adulte, dans les conditions physiologiques et dans deux modèles d'épilepsie chez la souris. J'ai ainsi pu détecter in vivo l'expression d'un GABA excitateur mais qui ne semble pas participer à la génération des crises aigues car exprimé dans la période de silence post-ictale, ni à l'épileptogénèse car exprimé seulement de façon anecdotique une semaine post-status epilepticus, un stade auquel j'ai également observé que la majorité des neurones pyramidaux de CA3 n'étaient plus sous contrôle inhibiteur périsomatique. En plus de contribuer à mieux comprendre l'épileptogénèse, ces travaux pourraient servir de modèle pour l'évaluation de la contribution d'un GABA excitateur à diverses conditions pathologiques, et de l'efficacité réelle de diverses approches visant à moduler le gradient chlore pour restaurer une fonction inhibitrice in vivo.

Hereditary Spastic Paraplegia is a group of Motor Neuron Disease characterized by the degeneration of cortico-spinal tract leading to a progressive spasticity and paralysis of lower limbs sometimes associated with cognitive deficits. Mutations in SPG11 gene coding for Spatacsin are a major cause of these complex forms. For a better understanding of SPG11-related HSP mechanisms, our team generated a Knock-Out mouse model (spg11-/-) mimicking the cognitive and motor deficits correlated with histological alterations (J.Branchu & al.; 2017). As motor impairments precede the first neuronal losses, we hypothesized that there may exist some neuronal dysfunctions primary to neuronal death observable with electrophysiological methods. In Vivo EEG recordings of spg11-/- motor cortex highlighted the emergence of spike and wave discharges events (SWD), occurring before the cortical NeuN+ cells loss and suggesting a disturbance of excitability of cortical networks. No propagation to thalamus was found, but these SWLD seems to response in a dose dependent manner to pro and anti-Absence Epilepsy drugs. With our IHC experiments, we didn’t observe any change in GABAergic interneurons number, suggesting no change in cortical inhibition mediated by interneurons. Ex vivo Electrophysiological recordings of adult spg11-/- hippocampi displayed reduced short and long-term potentiation, correlated with a loss of spatial and fear-related memories, suggesting an impairment in synaptic elements. We did not observe those alterations during development although there seem to be a shift from mature to immature dendritic spines. mRNA quantification couldn’t highlight any modification in epilepsy-related gene expression. However, in vitro intracellular recordings of embryonic cortical neurons revealed impairments in sodic current density and excitability in Spg11-/- neurons. Altogether, the results of these experiments will decipher the roles of Spatacsin in the pathogenesis of Motorneurons Diseases and give us a useful and non-invasive read-out for the evaluation of therapeutical assays., Les Paraplégies Spastiques Héréditaires sont un groupe de maladies du motoneurone caractérisées par une dégénérescence de l’axe corticospinal menant à la spasticité et une paralysie progressive des membres parfois associés à des troubles cognitifs. Des mutations dans le gène SPG11 codant pour la Spatacsine sont la majeure cause de ces formes complexes de HSP. Pour mieux comprendre les mécanismes responsables de la pathologie liée à SPG11, notre équipe a généré un modèle de souris Knock-out pour ce gène, mimant les déficits cognitifs et moteurs observés chez les patients, corrélés à des altérations histologiques (J.Branchu & al. ; 2017). Etant donné que les troubles moteurs apparaissent avant les premières pertes neuronales, nous avons émis l’hypothèse qu’il existait des dysfonctions neuronales précédant la mort des neurones et mesurables par des techniques d’électrophysiologie. Des enregistrements EEG in vivo du cortex moteur des souris Spg11-/- nous ont permis d’observer l’émergence de décharges pointe-onde (DPO), survenant avant la mort des neurones corticaux NeuN+. Ces signaux sont semblables à ceux observés dans une forme particulière d’épilepsie : l’épilepsie d’absence et suggérent une perturbation de l’excitabilité corticale. Ces signaux ne semblent pas se propager dans le thalamus mais ces DPO répondent de manière dose dépendante à des drogues pro et anti Epilepsie d’Absence. Aucune différence significative n’a été observée dans le nombre d’interneurones GABAergiques, suggérant que l’inhibition corticale médiée par ces derniers n’est pas atteinte. Nous n’avons pas réussi à mettre en évidence de modification de l’expression de gènes liés à l’épilepsie d’absence. Cependant, des expériences de Patch clamp sur des neurones corticaux embryonnaires ont révélé une perturbation de la densité du courant sodique et d’excitabilité dans les neurones Spg11-/-. Des enregistrements ex vivo de l’hippocampe des souris Spg11-/- révèlent une perte de potentialisation à long et à court terme, corrélés avec une perte de mémoire spatiale, suggérant une atteinte d’un ou plusieurs éléments synaptiques. Ces pertes de plasticité hippocampiques ne sont pas observées durant le développement malgré ce qui semble être un défaut de synaptogénèse dans les collatérales de Schaffer. A terme, ces résultats vont étoffer nos connaissances sur les rôles de l’absence de Spatacsine dans la pathogénèse de l’HSP et des maladies du motoneurone et nous fourniront une mesure intéressante et non invasive (EEG) pour l’évaluation de l’efficacité de futur d’essais thérapeutiques.

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease characterized by a progressive loss of dopaminergic neurons from the substantia nigra compacta. This degeneration leads to profound dysfunctions in a brain network essential for many functions, called the basal ganglia (BG). Although this network is traditionally associated with movement control, many studies have also attributed it a role in nociception. It is interesting to note that PD patients suffer from a complex painful symptomatology, improved by deep brain stimulation of the subthalamic nucleus (STN), one of the key regions of the BG. Therefore, the main objective of this thesis was to clarify the role of BG in nociception and to evaluate the impact of a dopaminergic degeneration on this function. In this purpose in a first study, we carried out electrophysiological recordings in rats and demonstrated that STN neurons are activated tonically and phasically by noxious stimuli. We then identified the parabrachial nucleus (PBN) as the main structure relaying the nociceptive information to the STN. In a second study, we investigated possible dysfunctions in this network in PD rat models. We thus describe an alteration of nociceptive signal processing in this network with a high degree of dopaminergic depletion, and report the presence of effective neuroplastic compensation mechanisms within PBN neurons with a moderate dopaminergic depletion. These results provide a new perspective on Parkinsonian pain that could result from pathological neuroplastic phenomena associated with abnormal activity and nociceptive signal processing by the BG network., La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative caractérisée par la perte progressive des neurones dopaminergiques de la substance noire compacte. Cette dégénérescence engendre de profonds dysfonctionnements au sein d’un réseau cérébral essentiel pour de nombreuses fonctions, les ganglions de la base (GB). Bien que ce réseau soit classiquement associé au contrôle du mouvement, de plus en plus d’études lui prêtent également un rôle dans la nociception. Il est intéressant de constater que les patients Parkinsoniens présentent une symptomatologie douloureuse complexe, améliorée par la stimulation cérébrale profonde du noyau subthalamique (NST), une des régions clé des GB. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse a été de préciser le rôle des GB dans la nociception et d’évaluer l’impact d’une dégénérescence dopaminergique sur cette fonction. Pour cela, nous avons, dans une première étude, effectué des enregistrements électrophysiologiques chez le rat, et démontré que les neurones du NST s’activent toniquement et phasiquement à la présentation de stimulations douloureuses. Nous avons ensuite identifié le noyau parabrachial (PBN), comme étant la structure principale relayant l’information nociceptive au NST. Dans une deuxième étude, nous avons recherché d’éventuels dysfonctionnements au sein de ce réseau chez des animaux modèles de la MP. Nous décrivons ainsi une altération du traitement du signal nociceptif avec un fort degré de déplétion dopaminergique, et reportons la présence de phénomènes de compensation neuroplastiques efficaces au sein du PBN avec un degré moyen de déplétion dopaminergique. Ces résultats apportent un nouveau regard sur les douleurs Parkinsoniennes, qui pourraient provenir de phénomènes neuroplastiques pathologiques associés à une activité et un traitement anormal du signal nociceptif par le réseau des GB.

Current treatments of neuropathies are inadequate. It is necessary to identify new therapeutical targets. Cav3.2 isoform of T-type calcium channels is a good candidate, considering its role in acute and neuropathic pain perception, established at the peripheral and spinal level. However, the role of Cav3.2 in the supra-spinal treatment of pain signals remains elusive. To address this question, we used the mouse line KI-Cav3.2-eGFPflox allowing localization of Cav3.2 thanks to an inserted GFP, and its specific deletion thanks to loxP sites. Cav3.2 was expressed in parvalbumin (PV) neurons of the Anterior Pretectal Nucleus (APN). APN is a crossroad of connectivity of the somatosensory system implicated in pain perception. Therefore we studied the impact of Cav3.2 expressed in this region on basal and neuropathic somatosensory perception. We tested the sensitivity of mice deleted for Cav3.2 in this region, before and after spared nerve injury. This deletion does not seem to affect basal sensitivity but significantly reduces the development of neuropathic pain. In vitro recordings and molecular analysis of PV neurons of the APN shows that those co-expressing Cav3.2 are GABAergic. Moreover, these neurons project to the thalamus, zona incerta and medulla. Together, these results suggest that APN could exert a descending and/or ascending inhibitory control on somatosensory system. The network excitability would critically depend on Cav3.2 activity during the development of neuropathy.; Les traitements actuels des neuropathies étant insuffisants, il est nécessaire d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. L’isoforme Cav3.2 des canaux calciques de type T est un bon candidat de par son rôle dans la perception douloureuse aiguë et neuropathique établi au niveau périphérique et spinal. Cependant, le rôle de Cav3.2 dans le traitement supra-spinal des informations douloureuses est mal connu. Pour l’élucider, nous avons utilisé la lignée murine KI-Cav3.2-eGFPflox permettant la localisation de Cav3.2 grâce à l’insertion d’une GFP, et sa délétion spécifique grâce à des sites loxP. Nous avons observé l’expression de Cav3.2, principalement dans les neurones à parvalbumine (PV) du Noyau Prétectal Antérieur (APN). L’APN étant un carrefour de connectivité du système somatosensoriel impliquée dans la perception douloureuse, nous avons étudié l’impact de Cav3.2 exprimé dans cette région sur la perception somatosensorielle basale et neuropathique. Nous avons testé la sensibilité de souris ayant subi une délétion de Cav3.2 dans cette région, avant et après lésion du nerf sciatique. Cette délétion ne semble par affecter la sensibilité basale, mais atténue significativement le développement de la douleur neuropathique. L’enregistrement in vitro et l’analyse moléculaire des neurones à PV de l’APN montrent que ceux co-exprimant Cav3.2 sont GABAergiques. De plus, ces neurones projettent vers le thalamus, la zona incerta et le bulbe rachidien. L’APN pourrait donc exercer un contrôle inhibiteur ascendant et/ou descendant du système somatosensoriel. L’excitabilité de ce réseau dépendrait de l’activité de Cav3.2 lors du développement de la neuropathie.

Current treatments of neuropathies are inadequate. It is necessary to identify new therapeutical targets. Cav3.2 isoform of T-type calcium channels is a good candidate, considering its role in acute and neuropathic pain perception, established at the peripheral and spinal level. However, the role of Cav3.2 in the supra-spinal treatment of pain signals remains elusive. To address this question, we used the mouse line KI-Cav3.2-eGFPflox allowing localization of Cav3.2 thanks to an inserted GFP, and its specific deletion thanks to loxP sites. Cav3.2 was expressed in parvalbumin (PV) neurons of the Anterior Pretectal Nucleus (APN). APN is a crossroad of connectivity of the somatosensory system implicated in pain perception. Therefore we studied the impact of Cav3.2 expressed in this region on basal and neuropathic somatosensory perception. We tested the sensitivity of mice deleted for Cav3.2 in this region, before and after spared nerve injury. This deletion does not seem to affect basal sensitivity but significantly reduces the development of neuropathic pain. In vitro recordings and molecular analysis of PV neurons of the APN shows that those co-expressing Cav3.2 are GABAergic. Moreover, these neurons project to the thalamus, zona incerta and medulla. Together, these results suggest that APN could exert a descending and/or ascending inhibitory control on somatosensory system. The network excitability would critically depend on Cav3.2 activity during the development of neuropathy., Les traitements actuels des neuropathies étant insuffisants, il est nécessaire d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. L’isoforme Cav3.2 des canaux calciques de type T est un bon candidat de par son rôle dans la perception douloureuse aiguë et neuropathique établi au niveau périphérique et spinal. Cependant, le rôle de Cav3.2 dans le traitement supra-spinal des informations douloureuses est mal connu. Pour l’élucider, nous avons utilisé la lignée murine KI-Cav3.2-eGFPflox permettant la localisation de Cav3.2 grâce à l’insertion d’une GFP, et sa délétion spécifique grâce à des sites loxP. Nous avons observé l’expression de Cav3.2, principalement dans les neurones à parvalbumine (PV) du Noyau Prétectal Antérieur (APN). L’APN étant un carrefour de connectivité du système somatosensoriel impliquée dans la perception douloureuse, nous avons étudié l’impact de Cav3.2 exprimé dans cette région sur la perception somatosensorielle basale et neuropathique. Nous avons testé la sensibilité de souris ayant subi une délétion de Cav3.2 dans cette région, avant et après lésion du nerf sciatique. Cette délétion ne semble par affecter la sensibilité basale, mais atténue significativement le développement de la douleur neuropathique. L’enregistrement in vitro et l’analyse moléculaire des neurones à PV de l’APN montrent que ceux co-exprimant Cav3.2 sont GABAergiques. De plus, ces neurones projettent vers le thalamus, la zona incerta et le bulbe rachidien. L’APN pourrait donc exercer un contrôle inhibiteur ascendant et/ou descendant du système somatosensoriel. L’excitabilité de ce réseau dépendrait de l’activité de Cav3.2 lors du développement de la neuropathie.

Awake surgery is used for the resection of slow-growing and infiltrating brain tumors in awake andfully conscious patients. The neurosurgeon performs intraoperative anatomo -functional mapping ofthe brain applying direct electrical stimulation (DES) on the cortex and the exposed white mattertracts while the patient performs a set of neuropsychological tests. The appearance of behavioraldisturbances consequent to DES allows the identification of still functional tissue and enable theoptimal resection of the tumor, up to the functional limits. However, its use remains empirical and itseffects and the effects of the resection on the cerebral electrophysiology remain unknown. In thiswork, we study the electrophysiological responses evoked by DES thanks to the intraoperativerecording of evoked potentials (EP) on ECoG signals. We also investigate EEG signals collected aftersurgery, in order to identify possible changes in the cerebral electrophysiology induced by theresection. Linear and nonlinear analyses of EEG signals highlighted important alterations of thecerebral dynamics with a normalization of the signals over time, while the measure of EP allowed usto understand better the diffusion of the effects of DES in the brain, more particularly, identifyingdifferent propagation mechanisms of the evoked responses. ECoG and EEG seem to be relevant toolsfor intraoperative exploration and postoperative monitoring of cerebral electrophysiology for patientsundergoing awake surgery., La chirurgie éveillée est utilisée pour la résection des tumeurs cérébrales infiltrantes à croissance lente chez des patients réveillés et pleinement conscients. Le neurochirurgien réalise un cartographie anatomo-fonctionnelle du cerveau en appliquant la stimulation électrique directe (SED) sur le cortex et au niveau de la substance blanche alors que le patient réalise un ensemble de tests neuropsychologiques. L'apparition de troubles comportementaux induits par la SED va permettre l'identification du tissu toujours fonctionnel, et ainsi autoriser une résection tumorale optimale,jusqu’aux limites fonctionnelles. Son utilisation reste cependant empirique et ses effets ainsi que ceux de la résection sur l'électrophysiologie cérébrale restent méconnus. Dans ce travail, nous étudions les réponses électrophysiologiques évoquées par la SED grâce à la mesure ECoG peropératoire de potentiels évoqués (PE). Nous investiguons également des signaux EEG récoltés après la chirurgie,afin d'identifier d'éventuelles modifications de l'électrophysiologie cérébrale induites par la résection.Les analyses linéaires et non-linéaires des signaux EEG nous ont permis de révéler des altérations importantes de la dynamique cérébrale avec en outre une normalisation des signaux dans le temps,tandis que les mesures de PE nous ont permis de mieux comprendre la diffusion des effets de la SED dans le cerveau et notamment d’identifier différents mécanismes de propagation de la réponse évoquée. L'ECoG et l'EEG semblent être des outils pertinents pour l'exploration peropératoire et le suivi postopératoire de l'électrophysiologie cérébrale des patients ayant recours à la chirurgie éveillée.

The implication of the cerebellum in spatial cognition and spatial navigation has been recently highlighted both in humans and mice models by the team of Laure Rondi Reig. Similarly, these studies strongly suggested that the cerebellum interacts with the hippocampus in a functional network. However, to the date we lack information about the anatomical substrate for such interaction as well as the physiological mechanisms underlaying it. This information is fundamental in order to fully understand the role of the cerebellum in these functions and it has been the main focus of my thesis. To that aim, we have employed a combination of technical approaches including anatomical retrograde trans-synaptic tracing with rabies virus and multi-site extracellular electrophysiological recordings in the cerebellum and the hippocampus of behaving mice. We have identified three main cerebellar cortical areas projecting through di- and/or tri-synaptic pathways to the hippocampus: the Crus I, the lobule VI and the paraflocculus. Moreover, we have found dynamic theta coherence between the oscillatory activity recorded in these areas and that from the hippocampus, a mechanism that has been previously associated with functional interaction. Specifically, we have found a significant increase in the theta coherence between the Crus I and the hippocampus when the animals performed a goal directed behaviour. Finally, we have characterised the modulation of the cerebellar activity and the cerebello-hippocampal coherence across the sleep cycle and we have found increased Crus I-hippocampus theta coherence during REM sleep which is in phase with a cerebellar infra-slow (< 1Hz) rhythm.; L’implication du cervelet dans la cognition et navigation spatiale a été récemment remarqué par l’équipe de Rondi Reig chez l’homme et dans modèles murines. Également, ces études suggérèrent fortement que le cervelet interagit avec l’hippocampe dans un réseau fonctionnel. Cependant, à ce jour il nous manque d’information relative sur le substrat anatomique et les mécanismes physiologiques qui permet cette interaction. Cette information est fondamentale pour comprendre le rôle du cervelet dans ces fonctions et il a constitué le sujet de ma thèse. À cette fin, nous avons employé une combinaison de techniques comprenant le traçage anatomique trans-synaptique rétrograde avec le virus de la rage et des enregistrements électrophysiologiques extracellulaires simultanées dans le cervelet et l’hippocampe chez la souri engagé dans plusieurs comportements. Nous avons identifié trois régions dans le cortex cérébelleux qui projet à l’hippocampe par routes di- et tri-synaptiques: Crus I, lobule VI et le paraflocculus. De plus, nous avons trouvé une synchronisation dynamique entre l’activité oscillatoire enregistrée dans ces zones et celle de l’hippocampe dans la band thêta, un mécanisme qui était auparavant associé à une interaction fonctionnelle. Plus précisément, nous avons constaté une augmentation significative de la cohérence Crus I-hippocampe pendant la consécution d’un comportement dirigé vers un but. Enfin, nous avons caractérisé la modulation de l’activité cérébelleuse et de la cohérence cérébello-hippocampique au cours du sommeil et avons trouvé une augmentation de la cohérence Crus I-hippocampe pendant le sommeil paradoxal en phase avec un rythme cérébelleux ultra-lent (< 1Hz).

The implication of the cerebellum in spatial cognition and spatial navigation has been recently highlighted both in humans and mice models by the team of Laure Rondi Reig. Similarly, these studies strongly suggested that the cerebellum interacts with the hippocampus in a functional network. However, to the date we lack information about the anatomical substrate for such interaction as well as the physiological mechanisms underlaying it. This information is fundamental in order to fully understand the role of the cerebellum in these functions and it has been the main focus of my thesis. To that aim, we have employed a combination of technical approaches including anatomical retrograde trans-synaptic tracing with rabies virus and multi-site extracellular electrophysiological recordings in the cerebellum and the hippocampus of behaving mice. We have identified three main cerebellar cortical areas projecting through di- and/or tri-synaptic pathways to the hippocampus: the Crus I, the lobule VI and the paraflocculus. Moreover, we have found dynamic theta coherence between the oscillatory activity recorded in these areas and that from the hippocampus, a mechanism that has been previously associated with functional interaction. Specifically, we have found a significant increase in the theta coherence between the Crus I and the hippocampus when the animals performed a goal directed behaviour. Finally, we have characterised the modulation of the cerebellar activity and the cerebello-hippocampal coherence across the sleep cycle and we have found increased Crus I-hippocampus theta coherence during REM sleep which is in phase with a cerebellar infra-slow (< 1Hz) rhythm., L’implication du cervelet dans la cognition et navigation spatiale a été récemment remarqué par l’équipe de Rondi Reig chez l’homme et dans modèles murines. Également, ces études suggérèrent fortement que le cervelet interagit avec l’hippocampe dans un réseau fonctionnel. Cependant, à ce jour il nous manque d’information relative sur le substrat anatomique et les mécanismes physiologiques qui permet cette interaction. Cette information est fondamentale pour comprendre le rôle du cervelet dans ces fonctions et il a constitué le sujet de ma thèse. À cette fin, nous avons employé une combinaison de techniques comprenant le traçage anatomique trans-synaptique rétrograde avec le virus de la rage et des enregistrements électrophysiologiques extracellulaires simultanées dans le cervelet et l’hippocampe chez la souri engagé dans plusieurs comportements. Nous avons identifié trois régions dans le cortex cérébelleux qui projet à l’hippocampe par routes di- et tri-synaptiques: Crus I, lobule VI et le paraflocculus. De plus, nous avons trouvé une synchronisation dynamique entre l’activité oscillatoire enregistrée dans ces zones et celle de l’hippocampe dans la band thêta, un mécanisme qui était auparavant associé à une interaction fonctionnelle. Plus précisément, nous avons constaté une augmentation significative de la cohérence Crus I-hippocampe pendant la consécution d’un comportement dirigé vers un but. Enfin, nous avons caractérisé la modulation de l’activité cérébelleuse et de la cohérence cérébello-hippocampique au cours du sommeil et avons trouvé une augmentation de la cohérence Crus I-hippocampe pendant le sommeil paradoxal en phase avec un rythme cérébelleux ultra-lent (< 1Hz).

Background: Cryoballoon (CB) ablation is widely used for pulmonary vein (PV) isolation in patients with atrial fibrillation (AF). There are no data regarding clinical efficacy of CB ablation in patients with atypical right PV anatomy. We aimed to evaluate the impact of right PV anatomy on safety and efficacy of CB ablation. Methods: Patients referred for CB ablation of paroxysmal AF were prospectively enrolled. A left atrial computed tomography was performed prior to CB ablation to determine whether right PV anatomy was “normal” or “atypical”. For patients with atypical anatomy, CB ablation was only performed for right superior (RSPV) and right inferior PV (RIPV), neglecting accessory PVs. Results: 303 patients were included, 254 (83.8%) with normal and 49 (16.2%) with atypical right PV anatomy. First freeze isolation for RSPV and RIPV occurred in 44 (89.8%) and 37 (75.5%) and in 218 (85.8%) and 217 (85.4%) patients with atypical and typical PV anatomy, respectively (p=NS). Phrenic nerve palsies (PNPs) were only observed in patients with normal anatomy (0 vs. 26, 8.6%, p=0.039). Mid-term survival free from atrial arrhythmia was similar, regardless of right PV anatomy. Conclusion: A significant proportion of patients have atypical right PV anatomy. Procedural characteristics, acute PV isolation success, and mid-term procedural efficacy are similar, regardless of right PV anatomy. In addition to left-side PVs isolation, cryoballoon ablation of RSPV and RIPV only, neglecting accessory PVs, is sufficient to obtain acute right-side PV isolation and mid-term sinus rhythm maintenance in patients with atypical anatomy.; Contexte : L'ablation par cryoballon est une technique largement utilisée dans l'isolation des veines pulmonaires (VP) chez les patients avec une fibrillation atriale (FA). À ce jour, il existe peu de données concernant l'efficacité clinique de la cryo-ablation chez les patients ayant une anatomie veineuse pulmonaire droite atypique. L'objectif de cette étude était d'évaluer l'impact de l'anatomie veineuse pulmonaire droite sur l'efficacité et la sécurité de l’ablation par cryoballon. Méthodes : Tous les patients adressés au CHU de Rennes pour ablation de FA paroxystique par cryoballon ont été prospectivement inclus. Un scanner de l'oreillette gauche était réalisé avant l'ablation pour déterminer si l'anatomie des VP droites était « normale » ou « atypique ». Chez les patients avec une anatomie atypique, la cryoablation n'était pas réalisée sur les VP surnuméraires. Résultats : Sur 303 patients inclus, 254 (83.8%) avaient une anatomie veineuse pulmonaire droite normale et 49 (16.2%) une anatomie atypique. L’isolation veineuse était obtenue à la première application de cryothermie pour 44 (89.8%) VP supérieures droites (VPSD) et 37 (75.5%) VP inférieures droites (VPID) chez les patients avec une anatomie atypique, et pour 218 (85.8%) VPSD et 217 (85.4%) VPID chez les patients avec une anatomie typique (p=NS). Les paralysies du nerf phrénique (PNP) étaient observées seulement chez les patients avec une anatomie normale (0 vs. 26, 8.6%, p=0.039). La survie à moyen terme sans récidive d’arythmie atriale était similaire, indépendamment de l’anatomie des VP droites. Conclusion : Une proportion significative de patients a une anatomie VP droite atypique. Les caractéristiques procédurales, le succès immédiat de l’isolation des VP, et l’efficacité à moyen terme sont similaires dans les deux groupes, indépendamment de l’anatomie veineuse pulmonaire droite. L’ablation par cryoballon des VPSD et VPID, en négligeant les VP droites accessoires, associée à la cryo-ablation des VP gauches est suffisante pour obtenir une isolation en aigu et un maintien à moyen terme du rythme sinusal chez les patients avec une anatomie veineuse pulmonaire droite atypique.

A major challenge in treatment of retinal degenerative diseases with transplantation of replacement photoreceptors is the difficulty in inducing the grafted cells to grow and maintain light-sensitive outer segments in the host retina, which depends on proper interaction with the underlying retinal pigment epithelium (RPE). For an RPE-independent treatment approach, we introduced a hyperpolarizing microbial opsin into photoreceptor precursors from newborn mice, and transplanted them into blind mice lacking the photoreceptor layer. These optogenetically transformed photoreceptors were light responsive and their transplantation lead to the recovery of visual function, as shown by ganglion cell recordings and behavioral tests. Subsequently, we generated cone photoreceptors from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), expressing the chloride pump Jaws. After transplantation into blind mice, we observed light-driven responses at the photoreceptor and ganglion cell level. These results demonstrate that structural and functional retinal repair is possible by combining stem cell therapy and optogenetics.; Un défi majeur dans le traitement des maladies dégénératives de la rétine par transplantation de photorécepteurs de remplacement est la difficulté d'induire les cellules greffées à croître et à maintenir des segments externes sensibles à la lumière dans la rétine hôte, qui dépend d'une interaction adéquate avec l'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) sous-jacent. Pour une approche de traitement indépendante de l'EPR, nous avons introduit une opsine microbienne hyperpolarisante dans les précurseurs de photorécepteurs provenant de souris nouveau-nées et les avons transplantés dans des souris aveugles dépourvues de la couche photoréceptrice. Ces photorécepteurs transformés optogénétiquement ont réagi à la lumière et leur transplantation a permis de rétablir la fonction visuelle, comme en témoignent les enregistrements des cellules ganglionnaires et les tests comportementaux. Par la suite, nous avons généré des photorécepteurs à cônes à partir de cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSCs), exprimant Jaws, un autre opsine hyperpolarisante. Après la transplantation chez des souris aveugles, nous avons observé des réponses à la lumière au niveau des photorécepteurs et des cellules ganglionnaires. Ces résultats démontrent que la réparation structurale et fonctionnelle de la rétine est possible en combinant la thérapie par cellules souches et l'optogénétique.

Background: In patients with MS, the effect of structural damage to the corticospinal tract (CST) has been separately evaluated in the brain and spinal cord (SC), even though a cumulative impact is suspected. Objective: To evaluate CST damages on both the cortex and cervical SC, and examine their relative associations with motor function, measured both clinically and by electrophysiology. Methods: We included 43 patients with early relapsing-remitting MS. Lesions were manually segmented on SC (axial T2*) and brain (3D FLAIR) scans. The CST was automatically segmented using an atlas (SC) or tractography (brain). Lesion volume fractions and diffusion parameters were calculated for SC, brain and CST. Central motor conduction time (CMCT) and triple stimulation technique amplitude ratio were measured for 42 upper limbs, from 22 patients. Results: Mean lesion volume fractions were 5.2% in the SC portion of the CST and 0.9% in the brain portion. We did not find a significant correlation between brain and SC lesion volume fraction (r = 0.06, p = 0.68). The pyramidal EDSS score and CMCT were both significantly correlated with the lesion fraction in the SC CST (r = 0.39, p = 0.01 and r = 0.33, p = 0.03), but not in the brain CST. Conclusion: Our results highlight the major contribution of SC lesions to CST damage and motor function abnormalities.; Contexte : Bien que l’on soupçonne un impact cumulatif, l’effet des lésions du faisceau cortico-spinal (FCS) a été évalué séparément dans le cerveau et la moelle épinière chez les patients atteints de SEP. Objectif : Évaluer les dommages causés par les lésions de SEP sur le FCS encéphalique et médullaire cervical et examiner les associations relatives avec la fonction motrice, mesurée à la fois cliniquement et par électrophysiologie. Méthodes : Nous avons inclus 43 patients atteints de SEP rémittente récurrente diagnostiqué récemment. Les lésions ont été segmentées manuellement sur les IRM médullaire (T2 axiale *) et cérébral (3D FLAIR). Le FCS était automatiquement segmenté à l'aide d'un atlas (moelle) ou par tractographie (cerveau). Les fractions volumiques des lésions et les paramètres de diffusion ont été calculés pour la moelle, le cerveau et les FCS. La durée de conduction motrice centrale (CMCT) et le rapport d'amplitude mesuré par triple stimulation ont été mesurés pour 42 membres supérieurs, sur 22 patients. Résultats : Les fractions volumiques moyennes des lésions étaient de 5,2% dans la partie médullaire du FCS et de 0,9% dans la partie cérébrale. Nous n'avons pas trouvé de corrélation significative entre la fraction volumique des lésions du cerveau et de la moelle (r = 0,06, p = 0,68). Le score EDSS pyramidal et le CMCT étaient tous deux corrélés de manière significative avec la fraction lésionnelle du FCS médullaire (r = 0,39, p = 0,01 et r = 0,33, p = 0,03) mais pas avec la fraction lésionnelle du FCS encéphalique. Conclusion : Nos résultats mettent en évidence la contribution majeure des lésions médullaires du FCS sur la fonction motrice.

Obesity is a major risk factor for many serious disorders. It affects 13% of the whole adult population worldwide making it an important field for research. Obesity is characterized by an increased body mass index resulting from an energy imbalance between caloric intake and expenditure. This can be caused by an increased consumption of energy-dense foods such as food rich in fat, which corresponds to occidental diet. It is now well accepted that obesity induces chronic systemic low-grade inflammation, which is mediated by Adipokines and cytokines released from the gut and adipose tissue. This low-grade inflammation extends to other tissue leading to systemic metabolic dysfunctions. In addition, obesity was shown to be correlated to chronic pain regardless of other components of the metabolic syndrome. It is not yet clear how this chronic pain is initiated and what mechanisms are involved. Our study focuses on investigating the effect of obesity on peripheral sensory neurons activity and pain perception, followed by deciphering the underlying cellular and molecular mechanisms that involve the Acid Sensing Ion Channels ASIC3. Methods. Mice were fed with a high-fat diet composed of saturated fatty acids to induce obesity. We are using pain behavioral tests to measure the thermal, mechanical and chemical perception in obese mice using radiant heat Hargreaves test, dynamic von Frey, and formalin tests. Electrophysiological approaches including patch-clamp techniques and skin-saphenous nerve recording preparation allowed us to study the effect of high-fat diet and obesity on peripheral sensory neurons excitability, while qPCR and Immunohistochemistry chemistry were used in investigating the changes in pro-inflammatory factors expression. Results. After 8 weeks of high-fat diet (HFD), we observe that mice become obese. These mice developed a deregulation of glucose homeostasis compared to lean mice fed on standard regime. In addition, obese mice showed a long-lasting thermal hypersensitivity once the obesity was well established, while other sensory modalities were not affected. We found an overexpression of the inflammatory cytokines in obese mice not only in the adipose tissue but also in other tissues involved in the pain pathway (i.e. Dorsal root ganglions and spinal cord). In addition, the lipid rich diet induced dyslipidemia with increased concentration of several lipid species in the serum of obese mice. Delivering the serum from obese mice to recombinant ASIC3 channels directly activated the channels and potentiated the channels responses to moderate acidification (pH 7). Obesity led to increased firing of heat sensitive C-fibers. The genetic deletion of ASIC3 channels in ASIC3 knockout mice protected these mice from thermal hypersensitivity. Conclusions. Our experiments shed light on the impact of the chronic low-grade inflammation and metabolic dysregulation induced by fat-rich diet on the peripheral nervous system and pain, and on the role of ASIC3 channels in these conditions. Our results give an interesting clinical scope and suggest that the thermal hypersensitivity associated with lipid induced obesity could be treated pharmacologically by blocking ASIC3.; L'obésité est un facteur de risque majeur pour de nombreux troubles métaboliques graves. Elle touche 13% de l'ensemble de la population adulte dans le monde, ce qui en fait un domaine de recherche important. L'obésité se caractérise par un indice de masse corporelle accru qui résulte d'un déséquilibre entre l'apport calorique et les dépenses énergétique. Cela peut être dû à une consommation accrue d'aliments riches en énergie, comme les aliments riches en graisses, qui correspondent à l'alimentation occidentale, en parallèle avec un faible niveau d’activité physique. Il est maintenant bien accepté que l'obésité induit une inflammation systémique chronique de bas grade, qui implique les adipokines et les cytokines libérées par l'intestin et le tissu adipeux. Cette inflammation de bas grade s'étend à d'autres tissus, entraînant des dysfonctionnements métaboliques systémiques. De plus, il a été démontré que l'obésité est corrélée à des douleurs chroniques, indépendamment des autres composantes du syndrome métabolique. Il n'est pas encore clairement établi comment cette douleur chronique est initiée et quels en sont les mécanismes. Notre étude s’est concentrée sur l'étude de l'effet de l'obésité sur l'activité des neurones sensoriels périphériques et la perception de la douleur, et la caractérisation des mécanismes cellulaires sous-jacents qui impliquent les canaux ioniques sensibles à l’acidose ASIC3. Méthodologie. Nous avons utilisé une alimentation riche en matières grasses composée essentiellement d'acides gras saturés pour induire l'obésité chez des souris juvéniles. Nous testons les seuils de perception des douleurs thermiques, mécaniques et chimiques chez les souris obèses à l'aide de tests de chaleur radiante Hargreaves, de von Frey dynamique et de formaline. Les approches électrophysiologiques, y compris les techniques de patch-clamp et l'enregistrement sur le nerf saphène, nous ont permis d'étudier l'effet l'obésité induite par un régime riche en graisses saturée sur l'excitabilité des neurones sensoriels périphériques. Résultats. Après 8 semaines d'alimentation riche en graisses (HFD), nous avons pu observer que les souris deviennent obèses. Ces souris sont prédiabétiques. Elles ont développé une dérégulation de l'homéostasie du glucose par rapport aux souris maigres nourries en régime standard. De plus, les souris obèses présentent une hypersensibilité thermique une fois l'obésité bien établie, alors que les autres modalités sensorielles ne sont pas affectées. Nous avons observé une surexpression des cytokines inflammatoires chez des souris obèses non seulement dans le tissu adipeux mais aussi dans d'autres tissus impliqués dans la voie de la douleur (c'est-à-dire les ganglions radiculaires dorsaux et la moelle épinière). Le régime alimentaire riche en lipides a provoqué une dyslipidémie avec une concentration accrue de plusieurs espèces de lipides dans le sérum des souris obèses, dont le lysophosphatidylcholine. Nous montrons que le sérum de souris obèses active directement les canaux ASIC3 et potentialise les réponses à une acidification modérée (pH 7). L'obésité augmente la réponse des fibres C mechano et thermosensibles cutanées à la chaleur. L’absence des canaux ASIC3 chez les souris knockout protège ces souris de l'hyperalgésie à la chaleur. Conclusions. Nos expériences ont mis en lumière l'impact de l'inflammation chronique de bas grade et de la dysrégulation métabolique induite par une alimentation riche en graisses, induisant l’obésité sur le système nerveux périphérique et la douleur. Nous démontrons le rôle des canaux ASIC3 dans sur l’excitation des neurones sensorielles et l’hyperalgésie thermique. Nos résultats donnent une portée clinique intéressante et suggèrent que l'hypersensibilité thermique associée à l'obésité induite par les lipides pourrait être traitée pharmacologiquement en bloquant ASIC3.

Acid-Sensing Ion Channels (ASIC) are trimeric excitatory ion channels activated by extracellular acidification, a phenomenom often encountered in painful pathological diseases. Several members of this family (ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b and ASIC3) can form functional ion channels expressed mainly in the nervous system. Among them, ASIC1b is characterized by its restrain expression in peripheral sensory neurons, responsible for the detection of noxious stimuli. But the implication of ASIC1b in pain has remained elusive for a long time because of the lack of tools needed to study its role. However, the recent identification of mambalgins, a set of peptides extracted from a snake venom and able to block ASIC1a and ASIC1b, has contributed to show for the first time the implication of ASIC1b in acute, inflammatory and neuropathic pain in mice. First, I studied the possible involvement of ASIC1b in migraine. I have shown that in an acute and chronic migraine model in rat, ASIC1a and ASIC1b blockade with mambalgin and amiloride, a non-specific blocker of ASIC channels, abolished the facial and extra-facial cutaneous allodynia, a very common and disabling migraine symptom. Those affects are as effective as the ones induced by the reference migraine treatments. Recurrent blockade of ASIC with mambalgin is able to limit the establishment of cutaneous allodynia related to chronic migraine. Those anti-allodynic effects are fully conserved in ASIC1a Knoc-out mouse in a model of chronic migraine, thus indirectly showing a critical role of ASIC1b. In a second part, I have looked into the possible cellular and molecular mechanisms targeting ASIC1b and explaining its potent implication in pathological pain. I have found that several intracellular signaling pathways are able to positively modulate ASIC1b. Among them, The C-Jun N-terminal Kinases (JNK) was the most promising. JNK potentiates ASIC1b, ASIC3 and heteromeric channels containing at least one of these subunits. ASIC currents obtained from primary culture of sensory neurons are also regulated. Interestingly, JNK regulates rat but not mouse ASIC3, thus making ASIC1b the potential sole target of this regulation in this specie. Thus, my thesis work extends the repertoire of painful pathological diseases where ASIC1b is involved. I have identified the intracellular signaling pathway JNK as a new mechanism of regulation of ASIC and especially ASIC1b. This work provides the first explaination at the molecular level on the mechanisms governing the critical implication of ASIC1b in pain.; Les canaux ASIC (Acid-Sensing Ion Channel) sont des canaux ioniques excitateurs activés par une acidification extracellulaire, un phénomène couramment rencontré lors de pathologies douloureuses. Différentes sous-unités, à savoir ASIC1a, ASIC1b, ASIC2a, ASIC2b et ASIC3 vont s’associer pour former des canaux trimériques fonctionnels. Le canal ASIC1b se distingue par son expression confinée au sein des neurones sensoriels périphériques, responsables de la détection des stimuli nocifs. Mais, le rôle de ce canal dans la douleur est longtemps resté méconnu du fait de l’absence d’outils permettant son étude. Néanmoins, l’identification récente d’agents pharmacologiques, les mambalgines, des peptides extraits d’un venin de serpent et capables de bloquer ces canaux ont permis de démontrer pour la première fois l’implication d’ASIC1b dans la douleur aigue, inflammatoire et neuropathique chez la souris. Dans une première partie, j’ai pu démontrer dans un modèle de migraine aigue et chronique chez le rat que le blocage des canaux ASIC1a et ASIC1b périphériques, via la mambalgine et un bloqueur des ASIC non-spécifique, l’amiloride, pouvait supprimer l’allodynie cutanée faciale et extra-faciale, un symptôme récurrent et invalidant rencontré par la plupart des patients migraineux. Ces effets se sont avérés aussi efficaces que les traitements de référence. Enfin, les effets anti-allodynique de la mambalgine sont conservés dans un modèle de migraine chronique chez des souris invalidées génétiquement pour ASIC1a, impliquant donc indirectement ASIC1b dans ces effets. Dans un second temps, je me suis penché sur les propriétés biophysiques et pharmacologiques d'ASIC1b, et sur ses possibles régulations en lien avec son implication pathophysiologique dans la douleur. J’ai démontré que plusieurs voies de signalisation cellulaire pouvaient moduler positivement l’activité des canaux ASIC1b, notamment la voie C-Jun N-terminal Kinases (JNK). JNK potentialise les canaux recombinants ASIC1b, ASIC3 et les hétéromères contenant au moins l’une de ces deux sous-unités. Les courants ASIC obtenus dans des neurones sensoriels en culture sont très majoritairement potentialisés par JNK. De façon intéressante, JNK régule ASIC3 chez le rat mais pas chez la souris, faisant potentiellement d’ASIC1b la cible principale chez cette espèce. Mon travail de thèse a ainsi permis d’étendre le panel de pathologies douloureuses où ASIC1b est impliqué. J’ai identifié une nouvelle régulation cellulaire via la voie JNK et ciblant les canaux ASIC, en particulier ASIC1b. Ces travaux fournissent une première explication au niveau moléculaire sur les mécanismes sous-tendant l’importante implication d’ASIC1b dans la douleur.

Data accumulated over the two last decades have demonstrated that astrocytes play key roles in the regulation of synaptic transmission and plasticity. This is due to their capability to detect and regulate synaptic transmission by expressing receptors and releasing gliotransmitters, respectively. However, astrocytes become reactive in pathological condition such as Alzheimer’s disease, and neuronal activity regulation by these glial cells is likely to be altered.The main objective of this thesis is to study the role of astrocytes as integrators and modulators of synaptic transmission under both physiological and pathological conditions.First, we have shown that a single astrocyte is able to detect and in turn up-regulate basal synaptic transmission at individual synapses in juvenile rats. Whether this upregulation is still present in adults and whether it is affected by the synaptic activity occurring at neighboring synapses present within the same astroglial domain is unknown. Using STED imaging on fixed tissue and electrophysiological recordings on acute hippocampal slices of adult male rats we here show that the upregulation pathway previously described in juvenile rats is also present in adults. Indeed, as in juvenile, astrocytes detect basal glutamatergic transmission at individual synapses through mGluR5 and in turn upregulate it by releasing purines and activating presynaptic A2A receptors. More importantly, our data suggest strongly that an individual astrocyte is able to adapt its purine-mediated regulation of glutamatergic transmission as a function of the number of synapses activated in its domain. When the number of afferent inputs activated is small, astrocytes facilitate synaptic efficacy through a purine-mediated process. Interestingly, this process is no longer present when a higher number of afferences is activated, suggesting the astrocytes integrate the incoming information and adapt its response in terms of purine release.Second, studies on Alzheimer’s disease models have reported changes in several astrocyte functions such as its ability to regulate synaptic transmission. However, the contribution of astrocytic reactivity in this pathology remains largely unknown and debated as the reported changes in these studies can have beneficial, deleterious or even mixed effects on neurons. Indeed, reactive astrocytes display a morphological, molecular and functional heterogeneity that could explain their controversial effects in this pathology. To understand how astrocyte reactivity contributes to Alzheimer's disease and to find therapeutic pathways, it is crucial to develop a new strategy that efficiently modulates all types of reactive astrocytes. Here, we used cell type-specific approaches in vivo and identified the JAK2/STAT3 pathway, as necessary and sufficient for the induction and maintenance of astrocyte reactivity. Modulation of this cascade by viral gene transfer in mouse astrocytes efficiently controlled several morphological and molecular features of reactivity. Inhibition of this pathway in mouse models of Alzheimer's disease improved key pathological hallmarks by reducing amyloid deposition and improving spatial learning. Combining this viral gene transfer with electrophysiological recordings, we specifically showed in our lab that reducing astrocyte reactivity by inhibiting JAK2/STAT3 cascade in astrocytes restores synaptic transmission and plasticity deficits observed in a 3xTg mouse model of Alzheimer's disease. In conclusion, the JAK2/STAT3 cascade operates as a master regulator of astrocyte reactivity in vivo. Its inhibition offers new therapeutic opportunities for Alzheimer's disease., Les données accumulées au cours des deux dernières décennies ont montré que l’astrocyte joue un rôle clé dans la régulation de la transmission synaptique. Cela est dû à sa capacité à détecter, via des récepteurs, et réguler, via la libération de gliotransmetteurs, la transmission synaptique. Cependant, les astrocytes deviennent réactifs dans des conditions pathologiques comme la maladie d’Alzheimer et la régulation de l’activité neuronale par ces cellules est susceptible d’être altérée.L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le rôle de l‘astrocyte en tant qu'intégrateur et modulateur de la transmission synaptique dans des conditions physiologique et pathologique.Premièrement, nous avons montré qu’un astrocyte est capable de détecter et d’augmenter la transmission synaptique de base au niveau d’une synapse chez des rats jeunes. On ignore si cette régulation est toujours présente chez les adultes et si elle est affectée par l'activité synaptique des synapses voisines présentes dans le même domaine astrocytaire. En utilisant l’imagerie STED et des enregistrements électrophysiologiques sur des tranches d’hippocampes de rats adultes, nous montrons ici que la voie de régulation décrite précédemment est également présente chez les adultes. En effet, les astrocytes détectent la transmission glutamatergique de base au niveau de synapses individuelles par le biais des mGluR5 et l’augmente en libérant des purines qui activent les récepteurs présynaptiques A2A. Plus important encore, nos données suggèrent fortement qu'un astrocyte est capable d'adapter sa régulation de la transmission glutamatergique en fonction du nombre de synapses activées dans son domaine. Lorsque le nombre d’afférences activées est faible, les astrocytes facilitent l'efficacité synaptique par un mécanisme dépendant des purines. Fait intéressant, ce processus n’est plus présent lorsqu’un plus grand nombre d’afférences est activé, ce qui suggère que les astrocytes sont capables d’intégrer différemment les informations entrantes et d’adapter leur réponse en termes de libération de purine.Deuxièmement, des études sur des modèles de la maladie d’Alzheimer ont rapporté que plusieurs fonctions astrocytaires, comme leur capacité à réguler la transmission synaptique, étaient perturbées. Cependant, la contribution de la réactivité astrocytaire dans cette pathologie reste méconnue et débattue du fait que les modifications rapportées dans ces études peuvent être bénéfiques et/ou néfastes pour les neurones. En effet, les astrocytes réactifs présentent une hétérogénéité morphologique, moléculaire et fonctionnelle qui peut expliquer leurs effets controversés dans cette pathologie. Pour comprendre comment la réactivité astrocytaire contribue à la maladie d'Alzheimer et trouver des voies thérapeutiques, il est essentiel de développer une nouvelle stratégie qui module efficacement tous les types d'astrocytes réactifs. Ici, nous avons utilisé des approches in vivo visant spécifiquement les astrocytes et identifié la voie JAK2/STAT3, comme étant nécessaire et suffisante pour l'induction et le maintien de la réactivité astrocytaire. La modulation de cette cascade par approche virale contrôle efficacement plusieurs caractéristiques morphologiques et moléculaires de la réactivité. De plus, son inhibition chez des modèles murins de la maladie d'Alzheimer améliore des caractéristiques pathologiques clés en réduisant les dépôts amyloïdes et en améliorant l'apprentissage spatial. En combinant l’approche virale avec des enregistrements électrophysiologiques, notre équipe a montré que réduire la réactivité astrocytaire en inhibant la voie JAK2/STAT3 rétablit les déficits de transmission synaptique et de plasticité observés chez un modèle 3xTg de la maladie d'Alzheimer. En conclusion, la cascade JAK2/STAT3 est un régulateur principal de la réactivité astrocytaire in vivo. Son inhibition offre de nouvelles opportunités thérapeutiques pour la maladie d'Alzheimer.

Data accumulated over the two last decades have demonstrated that astrocytes play key roles in the regulation of synaptic transmission and plasticity. This is due to their capability to detect and regulate synaptic transmission by expressing receptors and releasing gliotransmitters, respectively. However, astrocytes become reactive in pathological condition such as Alzheimer’s disease, and neuronal activity regulation by these glial cells is likely to be altered.The main objective of this thesis is to study the role of astrocytes as integrators and modulators of synaptic transmission under both physiological and pathological conditions.First, we have shown that a single astrocyte is able to detect and in turn up-regulate basal synaptic transmission at individual synapses in juvenile rats. Whether this upregulation is still present in adults and whether it is affected by the synaptic activity occurring at neighboring synapses present within the same astroglial domain is unknown. Using STED imaging on fixed tissue and electrophysiological recordings on acute hippocampal slices of adult male rats we here show that the upregulation pathway previously described in juvenile rats is also present in adults. Indeed, as in juvenile, astrocytes detect basal glutamatergic transmission at individual synapses through mGluR5 and in turn upregulate it by releasing purines and activating presynaptic A2A receptors. More importantly, our data suggest strongly that an individual astrocyte is able to adapt its purine-mediated regulation of glutamatergic transmission as a function of the number of synapses activated in its domain. When the number of afferent inputs activated is small, astrocytes facilitate synaptic efficacy through a purine-mediated process. Interestingly, this process is no longer present when a higher number of afferences is activated, suggesting the astrocytes integrate the incoming information and adapt its response in terms of purine release.Second, studies on Alzheimer’s disease models have reported changes in several astrocyte functions such as its ability to regulate synaptic transmission. However, the contribution of astrocytic reactivity in this pathology remains largely unknown and debated as the reported changes in these studies can have beneficial, deleterious or even mixed effects on neurons. Indeed, reactive astrocytes display a morphological, molecular and functional heterogeneity that could explain their controversial effects in this pathology. To understand how astrocyte reactivity contributes to Alzheimer's disease and to find therapeutic pathways, it is crucial to develop a new strategy that efficiently modulates all types of reactive astrocytes. Here, we used cell type-specific approaches in vivo and identified the JAK2/STAT3 pathway, as necessary and sufficient for the induction and maintenance of astrocyte reactivity. Modulation of this cascade by viral gene transfer in mouse astrocytes efficiently controlled several morphological and molecular features of reactivity. Inhibition of this pathway in mouse models of Alzheimer's disease improved key pathological hallmarks by reducing amyloid deposition and improving spatial learning. Combining this viral gene transfer with electrophysiological recordings, we specifically showed in our lab that reducing astrocyte reactivity by inhibiting JAK2/STAT3 cascade in astrocytes restores synaptic transmission and plasticity deficits observed in a 3xTg mouse model of Alzheimer's disease. In conclusion, the JAK2/STAT3 cascade operates as a master regulator of astrocyte reactivity in vivo. Its inhibition offers new therapeutic opportunities for Alzheimer's disease.; Les données accumulées au cours des deux dernières décennies ont montré que l’astrocyte joue un rôle clé dans la régulation de la transmission synaptique. Cela est dû à sa capacité à détecter, via des récepteurs, et réguler, via la libération de gliotransmetteurs, la transmission synaptique. Cependant, les astrocytes deviennent réactifs dans des conditions pathologiques comme la maladie d’Alzheimer et la régulation de l’activité neuronale par ces cellules est susceptible d’être altérée.L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le rôle de l‘astrocyte en tant qu'intégrateur et modulateur de la transmission synaptique dans des conditions physiologique et pathologique.Premièrement, nous avons montré qu’un astrocyte est capable de détecter et d’augmenter la transmission synaptique de base au niveau d’une synapse chez des rats jeunes. On ignore si cette régulation est toujours présente chez les adultes et si elle est affectée par l'activité synaptique des synapses voisines présentes dans le même domaine astrocytaire. En utilisant l’imagerie STED et des enregistrements électrophysiologiques sur des tranches d’hippocampes de rats adultes, nous montrons ici que la voie de régulation décrite précédemment est également présente chez les adultes. En effet, les astrocytes détectent la transmission glutamatergique de base au niveau de synapses individuelles par le biais des mGluR5 et l’augmente en libérant des purines qui activent les récepteurs présynaptiques A2A. Plus important encore, nos données suggèrent fortement qu'un astrocyte est capable d'adapter sa régulation de la transmission glutamatergique en fonction du nombre de synapses activées dans son domaine. Lorsque le nombre d’afférences activées est faible, les astrocytes facilitent l'efficacité synaptique par un mécanisme dépendant des purines. Fait intéressant, ce processus n’est plus présent lorsqu’un plus grand nombre d’afférences est activé, ce qui suggère que les astrocytes sont capables d’intégrer différemment les informations entrantes et d’adapter leur réponse en termes de libération de purine.Deuxièmement, des études sur des modèles de la maladie d’Alzheimer ont rapporté que plusieurs fonctions astrocytaires, comme leur capacité à réguler la transmission synaptique, étaient perturbées. Cependant, la contribution de la réactivité astrocytaire dans cette pathologie reste méconnue et débattue du fait que les modifications rapportées dans ces études peuvent être bénéfiques et/ou néfastes pour les neurones. En effet, les astrocytes réactifs présentent une hétérogénéité morphologique, moléculaire et fonctionnelle qui peut expliquer leurs effets controversés dans cette pathologie. Pour comprendre comment la réactivité astrocytaire contribue à la maladie d'Alzheimer et trouver des voies thérapeutiques, il est essentiel de développer une nouvelle stratégie qui module efficacement tous les types d'astrocytes réactifs. Ici, nous avons utilisé des approches in vivo visant spécifiquement les astrocytes et identifié la voie JAK2/STAT3, comme étant nécessaire et suffisante pour l'induction et le maintien de la réactivité astrocytaire. La modulation de cette cascade par approche virale contrôle efficacement plusieurs caractéristiques morphologiques et moléculaires de la réactivité. De plus, son inhibition chez des modèles murins de la maladie d'Alzheimer améliore des caractéristiques pathologiques clés en réduisant les dépôts amyloïdes et en améliorant l'apprentissage spatial. En combinant l’approche virale avec des enregistrements électrophysiologiques, notre équipe a montré que réduire la réactivité astrocytaire en inhibant la voie JAK2/STAT3 rétablit les déficits de transmission synaptique et de plasticité observés chez un modèle 3xTg de la maladie d'Alzheimer. En conclusion, la cascade JAK2/STAT3 est un régulateur principal de la réactivité astrocytaire in vivo. Son inhibition offre de nouvelles opportunités thérapeutiques pour la maladie d'Alzheimer.

Les troubles du spectre autistique (TSA) sont des maladies neuro-développementales définies par des déficits cognitifs, un manque de compétences sociales et des comportements stéréotypés. La sclérose tubéreuse de Bourneville (TSC) est une des causes monogéniques les plus importantes d’autisme et d’épilepsie chez les humains. Le gène encodant le complexe 1 de la sclérose tubéreuse (Tsc1) est un des deux gènes les plus fortement associés à ces maladies. Chez des souris transgéniques qui n’expriment pas le gène Tsc1, on observe une hyperactivation de la protéine mTOR qui régule entre autres le cycle cellulaire et la synthèse protéique. De plus, on suppose que les TSA seraient issus d’un débalancement dans l’équilibre excitation/inhibition (E/I) dans certaines zones du cerveau (Rubenstein and Merzenich 2003). Cet équilibre est maintenu entre autres par les interneurones inhibiteurs qui contrôlent l’activité des cellules excitatrices. Ainsi, le but du projet est donc de déterminer les mécanismes par lesquels la synthèse de protéines régule les fonctions synaptiques des cellules excitatrices de l’hippocampe, dont l’activité dépend des interneurones inhibiteurs de cette même région. Le système Cre-Lox a été utilisé pour créer le modèle de souris KO hétérozygote du gène Tsc1 spécifique aux interneurones exprimant Nkx2.1 (souris Nkx2.1C/+; Tsc1f/+). Les changements dans l'hippocampe ont été examinés au niveau moléculaire (données non présentées), comportemental et électrophysiologique, notamment par des enregistrements de potentiels de champs dans des tranches aiguës d’hippocampe. Les souris mutantes Nkx2.1C/+; Tsc1f/+ ont démontrés un déficit dans la discrimination de contexte à l’épreuve du conditionnement à la peur par le contexte. Les résultats des expériences de stimulations pairées «paired pulse» et de stimulations progressives «input output» reflétant les phénomènes de potentialisation à court terme et de transmission de base respectivement, sont intacts chez les souris mutantes. La phase tardive de la potentialisation à long terme (PLT-tardive) est aussi préservée chez les souris Nkx2.1C/+; Tsc1f/+. Or, la phase précoce de la potentialisation à long terme (PLT-précoce) est altérée chez les souris mutantes, lorsqu’induites par le protocole 1XHFS, mais intacte en utilisant le protocole 4XTBS. Ainsi, les phénomènes de plasticité synaptique sont majoritairement intacts chez les souris mutantes Nkx2.1C/+; Tsc1f/+, cependant la PLT-précoce est altérée lorsqu’induite par le protocole 1XHFS. Par ailleurs, la transmission synaptique de base et la potentialisation à court terme sont inchangées. Une altération de l’expression du gène Tsc1 dans les interneurones exprimant Nkx2.1 entraîne donc un déficit dans la discrimination de contextes, tâche dépendante de l’hippocampe. Selon les résultats obtenus, ces déficits ne sont pas expliqués par une altération de la transmission et de la plasticité synaptique ceux-ci étant intacts chez les souris mutantes Nkx2.1C/+; Tsc1f/+., Autism Spectrum Disorders (ASD) are neurodevelopmental disorders defined by cognitive deficits, lack of social skills, and stereotyped behaviors. Tuberous Sclerosis (TSC) is one of the most important monogenic cause of autism and epilepsy in humans. The complex 1 of tuberous sclerosis (Tsc1) gene is one of the two genes most strongly associated with these diseases. In knockout Tsc1 mice, hyperactivation of the mTOR protein, the main regulator of the cell cycle and protein synthesis, is observed. In addition, it has been hypothesized that ASDs would result from imbalance in the excitation / inhibition ratio in certain areas of the brain (Rubenstein and Merzenich 2003). Thus, the goal of the project is to determine the mechanisms by which protein synthesis regulates synaptic functions in interneurons of the hippocampus. The Cre-Lox system was used to create the heterozygous KO mouse model of the interneuron-specific Tsc1 gene (Nkx2.1C/+; Tsc1f/+). Changes in the hippocampus were examined at the molecular (data not shown), behavioral and electrophysiological levels, including field potential recordings in acute hippocampal slices. The Nkx2.1C/+; Tsc1f/+ mutant mice demonstrated a deficit in contextual fear conditoning. Paired pulse and input/output experiments demonstrated intact short-term potentiation as well as late-LTP elicited by a 15XTBS protocol. However, E-LTP was altered in mutant mice using the 1XHFS protocol, but intact using the 4XTBS protocol. The laboratory also demonstrated in Nkx2.1C/+; Tsc1f/+ mice a decrease in mCPSI of interneurons when induced by optogenetics, resulting in a disruption of inhibitory transmission (data not shown). Overall, an alteration of the expression of the Tsc1 gene in the PV and SOM interneurons leads to a deficit in context discrimination, a task dependent on the hippocampus. These deficits could be explained by a decrease in inhibitory transmission, making the circuit hyperexcitable and disturbing the E/I equilibrium.

Signals from the retina are relayed to the lateral geniculate nucleus from which they are sent to the primary visual cortex. At the cortical level, the information is transferred across several visual areas in which the complexity of the processing increases progressively. Anatomical and functional evidence demonstrate the existence of two main pathways in visual cortex processing distinct features of the visual information: the dorsal and ventral streams. Cortical areas composing the dorsal stream are implicated mostly in motion processing while those comprising the ventral stream are involved in the processing of form and colour. This classic view of the cortical functional organization is challenged by the existence of reciprocal connections of visual cortical areas with the thalamic nucleus named pulvinar. These connections allow the creation of a trans-thalamic pathway that parallels the cortico-cortical communications across the visual hierarchy. The main goal of the present thesis is twofold: first, to obtain a better comprehension of the processing of light increments and decrements in an area of the cat ventral stream (area 21a); second, to characterize the nature of the thalamo-cortical inputs from the cat lateral posterior nucleus (LP) to area 21a. In study #1, we investigated the spatiotemporal response profile of neurons from area 21a to light increments (brights) and decrements (darks) using a reverse correlation analysis of a sparse noise stimulus. Our findings showed that 21a neurons exhibited stronger responses to darks with receptive fields exhibiting larger dark subfields. However, no differences were found between the temporal dynamics of brights and darks. In comparison with the primary visual cortex, the dark preference in area 21a was found to be strongly enhanced, supporting the notion that the asymmetries between brights and darks are transmitted and amplified along the ventral stream. In study #2, we investigated the impact of the reversible pharmacological inactivation of the LP nucleus on the contrast response function (CRF) of neurons from area 21a and the primary visual cortex (area 17). The thalamic inactivation yielded distinct effects on both cortical areas. While in area 17 the LP inactivation caused a slight decrease in the response gain, in area 21a a strong increase was observed. Thus, our findings suggest that the LP exerts a modulatory influence on the cortical processing along the ventral stream with stronger impact on higher order extrastriate areas. Taken together, our findings allowed a better comprehension of the functional properties of the cat ventral stream and contributed to the current knowledge on the role of the pulvinar on the cortico-thalamo-cortical processing of visual information., Les signaux provenant de la rétine sont relayés dans le corps géniculé latéral où ils sont envoyés au cortex visuel primaire. L’information passe ensuite à travers plusieurs aires visuelles où la complexité du traitement augmente progressivement. Des données tant anatomiques que fonctionnelles ont démontré l’existence de deux voies principales qui traitent différentes propriétés de l’information visuelle : les voies dorsale et ventrale. Les aires corticales composant la voie dorsale sont impliquées principalement dans le traitement du mouvement tandis que les aires de la voie ventrale sont impliquées dans le traitement de la forme et de la couleur. Cette vision classique de l’organisation fonctionnelle du cortex est toutefois remise en question par l’existence de connections réciproques entre les aires corticales visuelles et le pulvinar, un noyau thalamique. En effet, ces connections permettent la création d’une voie trans-thalamique parallèle aux connections cortico-corticales à travers la hiérarchie visuelle. Le but principal de la présente thèse consiste en deux volets : le premier est d’obtenir une meilleure compréhension du traitement des incréments et décréments de la lumière dans une aire de la voie ventrale du chat (aire 21a); le second est de caractériser la nature des inputs thalamo-corticaux du noyau latéral postérieur (LP) à l’aire 21a chez le chat. Dans l’étude #1, nous avons investigué le profil spatiotemporel des réponses des neurones de l’aire 21a aux incréments (blancs) et décréments (noirs) de lumière en utilisant l’analyse de corrélation inverse d’un stimulus de bruit épars. Les neurones de l’aire 21a ont répondu plus fortement aux stimuli noirs, en montrant des champs récepteurs avec des sous-champs noirs plus larges. Cependant, aucune différence n’a été trouvée en ce qui concerne les dynamiques temporelles des réponses aux blancs et aux noirs. En comparaison avec le cortex visuel primaire, la préférence aux stimuli noirs dans l’aire 21a s’est avérée fortement augmentée. Ces données indiquent que les asymétries entre les réponses aux blancs et aux noirs sont transmises et amplifiées à travers la voie ventrale. Dans l’étude #2, nous avons investigué l’impact de l’inactivation pharmacologique réversible du noyau LP sur la fonction de réponse au contraste (CRF) des neurones de l’aire 21a et du cortex visuel primaire (aire 17). L’inactivation a eu différents effets dans les deux aires corticales. Alors que, dans l’aire 17, l’inactivation du LP a causé une légère réduction du gain de la réponse, une forte augmentation a été observée dans l’aire 21a. Ainsi, nos résultats suggèrent que le LP exerce une influence modulatrice dans le traitement cortical à travers la voie ventrale avec un impact plus important dans des aires extrastriées de plus haut niveau. Nos résultats ont permis d’avoir une meilleure compréhension des propriétés fonctionnelles de la voie ventrale du chat et de contribuer à enrichir les connaissances actuelles sur le rôle du pulvinar dans le traitement cortico-thalamo-cortical de l’information visuelle.

Animal welfare is considered to be a multidimensional phenomenon based upon life experiences and conditions, characterized by how an individual feels and functions. The study of emotions in animals is difficult but assumptions of emotional states are usually derived from neurophysiological, behavioral and cognitive measurements. Recent literature shows that cerebral and behavioral laterality, cardiac activity and brain activity (measured by electroencephalography) are suitable parameters to examine animals’ and human emotional processing along the valence and arousal dimensions. The main aim of the present research project was to investigate dogs and horses perception of the emotional content of human signals that potentially affects animals’ affective state and welfare. An integrated approach combining the analysis of behavioral lateralization, cardiac and brain activity, and subjects’ behavior was applied in order to answer to the following questions: 1) Do dogs and horses perceive the different emotional content of human signals? 2) Do dogs and horses attribute a different valence and intensity to the human emotions perceived? Overall, the results of this thesis project demonstrate that dogs and horses process differently emotional signals according to their valence and intensity. In particular, horses perception of a human voice is modulated by the valence of the prior horse-human interactions and by subjects’ living conditions. As for dogs, results demonstrate that they discriminate and perceive differently the emotional content of human visual, auditory and olfactory signals, providing new insights into the emotional functioning of the canine brain. The current research offers a theoretical framework for defining useful parameters to evaluate animal welfare.; Le bien-être animal est considéré un phénomène multidimensionnel basé sur les conditions et les expériences de vie de chaque individu, et lié aux fonctions organiques et à la sensibilité de l’individu même. L’étude des émotions animales est complexe mais les hypothèses sur leurs états émotifs peuvent être formulées sur la base de mesures neurophysiologiques, comportementales et cognitives. Des études récentes ont montré que la latéralité cérébrale et comportementale, la fréquence cardiaque et l'activité cérébrale (mesurée par électroencéphalographie sont des paramètres qui permettent d’évaluer la perception de la valence et du niveau stimulant des émotions chez l’animal et l'Homme. Le but principal de ce projet de thèse était d’étudier la perception que les chiens et les chevaux ont du contenu émotionnel des signaux humains et l’impact potentiel que peuvent avoir ces signaux sur l’état émotionnel de ces animaux et par conséquent sur leur bien-être. Dans ce but, nous avons présenté à ces animaux des stimuli exprimant diverses émotions. Nous avons utilisé une approche intégrée combinant l’analyse de la latéralité comportementale, de la fréquence cardiaque, de l’activité cérébrale et du comportement des sujets afin de répondre à 2 questions: 1) les chiens et les chevaux perçoivent-ils le contenu émotionnel des signaux humains? 2) Les chiens et les chevaux attribuent-ils une valence et une intensité différentes selon les émotions humaines perçues. Les résultats de ce travail de thèse montrent que les chiens et les chevaux traitent différemment les signaux émotionnels en fonction de leur valence et de leur intensité. La perception de la voix de l'homme par le cheval est modulée par la valence des interactions homme-cheval antérieures et par les conditions de vie des chevaux. En ce qui concerne les chiens, nos résultats montrent qu’ils discriminent et perçoivent les émotions contenues dans les signaux visuels, auditifs et olfactifs humains différemment, et nous fournissent de nouvelles connaissances sur le fonctionnement émotionnel du cerveau du chien. Les résultats de ce travail de thèse apportent un cadre théorique pour définir des paramètres utiles à l'évaluation du bien-être animal.

La fibrillation auriculaire (FA) est l’arythmie cardiaque soutenue la plus fréquente mondialement. En effet, elle touche 1 à 2 % de la population générale et augmente jusqu’à 10% chez les personnes âgées de plus de 80 ans. En plus d’être une importante source de complications cardiovasculaires, de morbidité et de mortalité, elle représente plus de 33 % des hospitalisations liées à des troubles cardiovasculaires. Plusieurs facteurs de risque peuvent entraîner la FA, tels que le sexe masculin et l’âge, mais également des conditions cliniques comme l’insuffisance cardiaque, l’hypertension, le diabète et l’exercice physique d’endurance. De ce fait, cette thèse porte sur l’association entre le système rénine angiotensine, le sexe masculin et la prévalence à la fibrillation auriculaire. Des expériences au niveau cellulaire et moléculaire ont été effectuées dans le but d’étudier le remodelage électrophysiologique et structurel impliqué dans le développement de la fibrillation auriculaire. Les résultats démontrent qu’une surexpression spécifique au niveau cardiaque des récepteur de type 1 de l’angiotensine II cause une diminution de l’expression des courants Na+ et des connexines 40 perturbant ainsi la conduction auriculaire. Parallèlement, les souris mâles sont deux fois plus susceptibles aux événements de fibrillation auriculaire que les femelles et cette prévalence est associée à une plus faible expression de connexines 40. Par contre, suite à la castration, le nombre d’événements de fibrillation ainsi que l’expression génique de connexines 40 atteignent des niveaux similaires à ceux retrouvés chez les souris femelles, confirmant la contribution des androgènes dans la genèse de la FA. En somme, cette baisse de vitesse de conduction, causée par une diminution de connexines 40, entraîne une augmentation du risque de fibrillation auriculaire via l’apparition de foyers d’activités ectopiques et de phénomènes de réentrées. De plus, nous avons démontré que les androgènes jouent un rôle majeur dans la diminution de l’expression des connexines 40 et qu’elle est associée à la plus haute prévalence de fibrillation auriculaire observée chez les hommes. Nos résultats tendent à prouver que l’on pourrait développer des thérapies spécifiques au sexe ou à certains mécanismes impliqués dans le déclenchement de la fibrillation auriculaire., Atrial fibrillation is the most common sustained cardiac arrhythmia. Indeed, atrial fibrillation affects 1 to 2 % of the general population and up to 10 % of the population older than 80 years old. Besides being an important source of cardiovascular complications, morbidity and mortality, atrial fibrillation represents more than one third of all hospitalisations related to cardiovascular diseases. Many risk factors can lead to atrial fibrillation occurence, such as male sex and age, but also clinical disorders such as heart failure, hypertension, diabetes, and endurance training Therefore, the goal of this thesis is to study the association between the renin-angiotensin system, male sex and the prevalence of atrial fibrillation. Experiences at the cellular (electrophysiology) and molecular level will be done to evaluate the role of electrophysiological and structural remodeling in the development of atrial fibrillation. Briefly, the results show that a cardiac specific overexpression of angiotensin II type 1 receptors causes a decrease in the expression of Na+ currents and connexin 40 leading to the disruption of atrial conduction. Of note, male mice were two times as susceptible to atrial fibrillation events than female and this prevalence is associated with a lower expression of connexin 40. However, following orchiectomy, the number of atrial fibrillation events and the expression level of connexin 40 gene reached similar values as those found in the female mice. In summary, this reduction in conduction velocity caused by a reduction of connexin 40 and Na+ currents can lead to an increased risk of atrial fibrillation due to the occurence of focal ectopic activity and re-entry phenomenon. Furthermore, we showed that androgen seems to be responsible for the decreased connexin 40 expression associated with the higher prevalence of atrial fibrillation observed in men. Thus, these results might allow the development of specific therapies based on sex or specific to certain forms of atrial fibrillation.

Songs of songbirds, such as speech in humans, requires fine recognition of emitted acoustic signals. But bird's song isn’t only a succession of sound elements, called syllables. The order of syllables follows rules, and, from a behavioral point of view, birds can discriminate songs according to this order. Moreover, since they have a set of specialized brain regions in the perception, production and learning of singing, they are a major model for studying neural mechanisms involved in the processing of temporal order of acoustic signals. During this thesis, the focus was on two studies based on electrophysiological recordings (extracellular) of neurons activity during the song diffusion.The first study focused on the treatment of order in an analog area of the mammalian secondary auditory cortex, the caudomedial nidopallium (NCM), in one species, the zebra finch (Taeniopygia guttata), able to discriminate songs according to syllables order. NCM neurons responses decrease during iterations of a stimulus and increase if a new song is presented. Based on this adaptation property, we have shown that it's not necessary to change the song, a change in the order of syllables is sufficient to re-establish responses. Changing the order changes the acoustic context of the syllable (what comes before is different), so the NCM neurons would be sensitive to this context. To go further, we used as stimuli a short sequence composed of 2 different syllables, A and B, organized according to ABAB or AABB grammatical structures. The results show that the neurons detect this difference in structure, providing an additional argument to the hypothesis of a treatment depending on how the syllables follow each other in a song.The second study focused on the treatment of the order of syllables in a sensorimotor area, the HVC (proper noum), in the canary (Serinus canaria). HVC neurons have already been identified as sensitive to syllable order in the bird's own song (BOS). The canary produces complex songs composed of successive phrases, themselves containing repetitions of the same syllable. The arrangement of the phrases in the songs depends on transition probabilities and leads to the formation of stereotyped and recurrent sequences, called chunks. In addition, the position of sentences varies from one sentence to another. The activity of the HVC neurons was recorded during the diffusion of one of the BOS composed of 3 chunks and variants: BOS in which only the order of the phrases in a chunk or only the order of the chunks, is changed. The results show a stronger impact on the neuronal responses, of changes in the order of the chunks than in the order of sentences in the chunks. At the contrary to a study of another species of bird, our results don’t provide any arguments in favor of the idea that order sensitivity is based on a treatment of transition probabilities between phrases. They suggest that the sensitivity of neurons extends over several phrases, beyond the structure of the chunks themselves and depends on chunks order in the song.These studies show that responses of neurons to a given syllable or phrase depend on what precedes it, whether at the level of a sensorimotor area or a high-level auditory area. At the HVC level, this sensitivity to context can extend over several phrases, and therefore several seconds, to consider how the order of words of human language could be treated at the neuronal level., Le chant des oiseaux, comme le langage oral chez les humains, nécessite une reconnaissance fine des signaux acoustiques émis. Mais un chant d’oiseau n’est pas qu’une simple succession d’éléments sonores, appelés syllabes. L’agencement des syllabes suit des règles, et, d’un point de vue comportemental, les oiseaux peuvent discriminer les chants en fonction de cet agencement. Comme ils possèdent, de plus, un ensemble de régions cérébrales spécialisées dans la perception, la production et l’apprentissage du chant, ils sont un très bon modèle d’étude des mécanismes neuronaux impliqués dans le traitement de l’ordre temporel des signaux acoustiques. Au cours de cette thèse, cette question a été le cœur de deux études basées sur des enregistrements électrophysiologiques (extracellulaires) de l’activité des neurones lors de la diffusion de chants.La première étude a porté sur le traitement de l’ordre au niveau d’une aire analogue du cortex auditif secondaire des mammifères, le nidopallium caudo-médian (NCM), chez une espèce, le diamant mandarin (Taeniopygia guttata), capable de discriminer des chants suivant l’agencement des syllabes. Les neurones du NCM ont la particularité d’avoir des réponses qui diminuent lors des répétitions d’un stimulus et qui augmentent si un nouveau chant est présenté. En se basant sur cette propriété d’adaptation, nous avons montré qu’il n’est pas nécessaire de changer de chant, un changement de l’ordre des syllabes suffit à réinstaller des réponses. Changer l’ordre modifie le contexte acoustique dans lequel se trouve une syllabe (ce qui précède est différent), les neurones du NCM seraient donc sensibles à ce contexte. Pour aller plus loin, nous avons utilisé comme stimuli de courtes séquences composées de 2 syllabes différentes, A et B, organisées selon les structures grammaticales ABAB ou AABB. Les résultats montrent que les neurones détectent cette différence de structure, apportant un argument supplémentaire à l’hypothèse d’un traitement de la façon dont les syllabes se succèdent dans un chant.La deuxième étude a porté sur le traitement de l’ordre des syllabes dans une aire sensori-motrice, le HVC, chez le canari (Serinus canaria). Les neurones du HVC ont déjà été identifiés comme sensibles à l’ordre des syllabes dans le propre chant de l’oiseau (bird’s own song ou BOS). Le canari produit des chants complexes composés de phrases successives, elles-mêmes contenant des répétitions d’une même syllabe. L’agencement des phrases dans les chants est régi par des probabilités de transition et conduit à former des séquences stéréotypées et récurrentes dans les chants, les chunks. De plus, la position des phrases varie d’une phrase à l’autre. L’activité des neurones du HVC a été enregistrée lors de la diffusion d’un des BOS de l’oiseau composé de 3 chunks et de variantes : le BOS dans lequel seul l’ordre des phrases dans un chunk ou seul l’ordre des chunks est modifié. Les résultats montrent un impact plus fort des modifications de l’ordre des chunks que de l’ordre des phrases dans les chunks, sur les réponses neuronales. Contrairement à une étude chez une autre espèce d’oiseau, nos résultats n’apportent pas d’arguments en faveur de l’idée que la sensibilité à l’ordre repose sur un traitement des probabilités de transition entre les phrases. Ils suggèrent que la sensibilité des neurones s’étend sur plusieurs phrases, au-delà de la structure des chunks eux-mêmes et dépend de l’ordre des chunks dans le chant.Ces études montrent que les réponses des neurones à une syllabe ou à une phrase donnée dépendent de ce qui la précède, que ce soit au niveau d’une aire sensorimotrice ou d’une aire auditive de haut niveau. Au niveau du HVC, cette sensibilité au contexte peut s’étendre sur plusieurs phrases, et donc plusieurs secondes, permettant d’envisager comment l’ordre des mots du langage humain pourrait être traité au niveau neuronal.

The representation and position of the body in space as well as the stabilization of gaze and posture heavily depend of head movements. Thus, the vestibular system uses two types of inertial sensors: the semi-circular canals for the detection of rotations of the head and otolith organs sensitive to its translation. The integration of this inertial information is partly done in the nodulo-uvular complex (CNU) and electrophysiological recordings of Purkinje cells (CP) in its median part, have shown a more complex integration of vestibular information than estimated until there. However, the anatomical, molecular and cellular organization of the CNU has so far not been considered in the interpretation of the CNU Purkinje cell dynamics. In order to apprehend this anatomo-functional regionalization, electrophysiological recordings in its lateral part were performed during natural and spontaneous movements in the rat and a re-analysis of the median data was done. The results presented in this thesis corroborate those previously published but also reveal an inter-lobular and medio-lateral organization of CP activity, showing an unequal distribution of inertial sensitivities. In addition, the existence of a new class of cells anticipating movement has been revealed and constitutes an additional argument to the integration of an "efferent copy" signal within the CNU., La représentation et la position du corps dans l'espace ainsi que la stabilisation du regard et de la posture dépendent fortement des mouvements de la tête. Pour ce faire, le système vestibulaire utilise deux types de capteurs inertiels : les canaux semi-circulaires pour la détection de la rotation de la tête et les organes à otolithes sensibles à sa translation. L’intégration de cette information inertielle s’effectue en partie dans complexe nodulo-uvulaire (CNU) et des enregistrements électrophysiologiques de cellules de Purkinje (CP) dans sa partie médiane, ont montré une intégration plus complexe de l’information vestibulaire que celle estimée jusque-là. Toutefois, l'organisation anatomique, moléculaire et cellulaire du CNU n’a, à ce jour, pas été considérée dans l’interprétation de la dynamique des cellules de Purkinje du CNU. Afin d’appréhender cette régionalisation anatomo-fonctionnelle, des enregistrements électrophysiologiques dans sa partie latérale ont été réalisés au cours de mouvements naturels et spontanés chez le rat et une ré-analyse des données médianes a été effectuée. Les résultats présentés dans cette thèse corroborent ceux publiés précédemment mais révèlent également une organisation inter-lobulaire et médio-latérale de l’activité des CP, montrant une répartition inégale des sensibilités inertielles. Par ailleurs, l’existence d’une nouvelle classe de cellules anticipant le mouvement a été révélée et constitue un argument supplémentaire à l’intégration d’un signal de « copie efférente » au sein du CNU.

In the retina, photoreceptors transduce light into electrical currents that are transmitted to bipolar cells before reaching ganglion cells, which send their spike trains to the brain. Each ganglion cell is sensitive to the stimulation of specific location of the visual field, its receptive field. Different types of ganglion cells (RGC) encode different features of the visual scene. In this work we aim at understanding the role of a specific type of bipolar cells: rod bipolar cells (RBC). We study their role in the computation of complex features by RGCs. We focus on two populations of RGCs: OFF Direction Selective RGCs, encoding visual motion, and OFF alpha RGCs, which have an OFF center ON surround organization of the receptive field. I present a new method to dissect the retinal circuit, which combines a highly precise optical activation of RBCs with an efficient recording of the RGCs. In order to manipulate RBCs, I express an optogenetic actuator specifically in these cells. I was able to selectively stimulate a specific type of bipolar cells while recording the impact of this stimulation on ganglion cells. I found that OFF direction selective RGCs receive an asymmetric input from RBCs, biased towards the preferred side, and that RBCs activate distant responses in OFF alpha RGCs, probably because they are involved in the ON surround computation. These results suggest that rod bipolar cells are a key element of two canonical computations performed in the retina. More generally, it shows that a precise dissection neural circuits is crucial to understand their function., Dans la rétine, les photorécepteurs convertissent la lumière en courants électriques qui sont transmis aux cellules bipolaires avant d'atteindre les cellules ganglionnaires (RGC), qui envoient leurs potentiels d’action au cerveau. Chaque RGC est sensible à la stimulation d’un emplacement spécifique du champ visuel, son champ récepteur. Différents types de RGCs codent différentes caractéristiques de la scène visuelle. Dans ce travail, nous cherchons à comprendre le rôle d’un type spécifique de cellules bipolaires: les cellules bipolaires à bâtonnets (RBC). Nous étudions leur rôle dans les calculs effectués par les RGCs. Nous nous concentrons sur deux populations de RGCs: les cellules sélectives à la direction, qui codent le mouvement visuel, et les RGC s OFF alpha, qui ont un champ récepteur antagoniste en centre-pourtour. Je présente une nouvelle méthode pour disséquer le circuit rétinien, qui combine une activation optique très précise des RBCs avec un enregistrement efficace des RGCs. Afin de manipuler les RBCs, j'exprime une protéine optogénétique sélectivement dans ces cellules. J'ai pu stimuler sélectivement les RBCs tout en enregistrant l'impact de cette stimulation sur les RGCs. J'ai trouvé que les RGC sélectives à la direction recevaient une entrée asymétrique des RBCs, et que les RBCs activent les réponses lointaines dans les RGCs OFF alpha, probablement parce qu’elles sont impliquées dans la formation du pourtour du champ récepteur. Ces résultats suggèrent que les RBCs sont un élément clé de deux calculs canoniques de la rétine. Plus généralement, il montre qu’une dissection précise des circuits neuronaux est cruciale pour comprendre leur fonction.

In the retina, photoreceptors transduce light into electrical currents that are transmitted to bipolar cells before reaching ganglion cells, which send their spike trains to the brain. Each ganglion cell is sensitive to the stimulation of specific location of the visual field, its receptive field. Different types of ganglion cells (RGC) encode different features of the visual scene. In this work we aim at understanding the role of a specific type of bipolar cells: rod bipolar cells (RBC). We study their role in the computation of complex features by RGCs. We focus on two populations of RGCs: OFF Direction Selective RGCs, encoding visual motion, and OFF alpha RGCs, which have an OFF center ON surround organization of the receptive field. I present a new method to dissect the retinal circuit, which combines a highly precise optical activation of RBCs with an efficient recording of the RGCs. In order to manipulate RBCs, I express an optogenetic actuator specifically in these cells. I was able to selectively stimulate a specific type of bipolar cells while recording the impact of this stimulation on ganglion cells. I found that OFF direction selective RGCs receive an asymmetric input from RBCs, biased towards the preferred side, and that RBCs activate distant responses in OFF alpha RGCs, probably because they are involved in the ON surround computation. These results suggest that rod bipolar cells are a key element of two canonical computations performed in the retina. More generally, it shows that a precise dissection neural circuits is crucial to understand their function.; Dans la rétine, les photorécepteurs convertissent la lumière en courants électriques qui sont transmis aux cellules bipolaires avant d'atteindre les cellules ganglionnaires (RGC), qui envoient leurs potentiels d’action au cerveau. Chaque RGC est sensible à la stimulation d’un emplacement spécifique du champ visuel, son champ récepteur. Différents types de RGCs codent différentes caractéristiques de la scène visuelle. Dans ce travail, nous cherchons à comprendre le rôle d’un type spécifique de cellules bipolaires: les cellules bipolaires à bâtonnets (RBC). Nous étudions leur rôle dans les calculs effectués par les RGCs. Nous nous concentrons sur deux populations de RGCs: les cellules sélectives à la direction, qui codent le mouvement visuel, et les RGC s OFF alpha, qui ont un champ récepteur antagoniste en centre-pourtour. Je présente une nouvelle méthode pour disséquer le circuit rétinien, qui combine une activation optique très précise des RBCs avec un enregistrement efficace des RGCs. Afin de manipuler les RBCs, j'exprime une protéine optogénétique sélectivement dans ces cellules. J'ai pu stimuler sélectivement les RBCs tout en enregistrant l'impact de cette stimulation sur les RGCs. J'ai trouvé que les RGC sélectives à la direction recevaient une entrée asymétrique des RBCs, et que les RBCs activent les réponses lointaines dans les RGCs OFF alpha, probablement parce qu’elles sont impliquées dans la formation du pourtour du champ récepteur. Ces résultats suggèrent que les RBCs sont un élément clé de deux calculs canoniques de la rétine. Plus généralement, il montre qu’une dissection précise des circuits neuronaux est cruciale pour comprendre leur fonction.

Wakefulness is comprised of distinct brain states, correlated with different behaviors and characterized by specific oscillatory patterns in the local field potential (LFP). While much work has characterized different brain states and their LFP signatures, the underlying cellular mechanisms are less known. Changes in single cell properties are thought to correlate with and possibly result in these changes in brain state. Synchronized and coordinated activity among distributed neurons supports cognitive processes such as memory. The hippocampus is essential for spatial and episodic memory, and within the hippocampus, area CA3 is important for rapid encoding of one-trial memory. Additionally, CA3 is the site where information from the entorhinal cortex, dentate gyrus, and CA3 itself is compared and integrated before output to CA1. During quiet wakefulness, the hippocampal LFP displays large irregular activity (LIA) punctuated by sharp-wave ripples, which play a role in memory consolidation. During exploratory behaviors, hippocampal LFP oscillates at both theta and gamma frequencies. CA3 pyramidal cells (PCs) play an important role in each of these brain states; they are necessary for both sharp waves during quiet wakefulness and for gamma oscillations during exploratory behavior. We explored the changes that occur in the intracellular dynamics of CA3 PCs during changes in brain state, by using whole-cell patch-clamp recordings from CA3 PCs in awake head-fixed mice. We combined those recordings with measurements of pupil diameter, treadmill running speed and LFP recordings of oscillatory activity. Our findings show that some CA3 PCs are prone to intracellular modulation during brain rhythms, and tend to decrease their average membrane potential, excitability, variance and output firing during theta as compared to LIA. Future studies will demonstrate whether these effects are due to changes in synaptic and/or neuromodulatory inputs. This modulation at the single-cell level in CA3 could play a role in the emergence of oscillations, and underlie the ability of CA3 to perform different memory functions during different brain states.; Les états de veille sont composés d’états cérébraux distincts, corrélés avec différents comportements et caractérisés par des oscillations spécifiques observables dans le potentiel de champ local (Local Field Potential, LFP). Bien que les différents états cérébraux et leur signature dans le LFP aient été caractérisés, les mécanismes cellulaires sous-jacents restent à ce jour peu connus. Des changements des propriétés de neurones uniques seraient corrélés avec, et pourraient participer à la génération de ces changements d’états cérébraux. L’activité coordonnée et synchronisée de neurones facilite certains processus cognitifs tels que la mémoire. L’hippocampe joue un rôle essentiel dans les mémoires spatiale et épisodique, et dans l’hippocampe, CA3 est important pour la formation d’associations facilitant l’encodage rapide de la mémoire. De plus, les informations provenant du cortex entorhinal, du gyrus denté, et de CA3 même sont comparées et intégrées dans CA3 avant d’être transmises à CA1. Lors de périodes de repos, le LFP hippocampique présente une activité large et irrégulière (Large Irregular Activity, LIA), ponctuée par des oscillations plus rapides, les sharp-wave ripples, jouant un rôle dans la consolidation de la mémoire. Lors de périodes exploratoires, le LFP hippocampique oscille aux fréquences theta (6-12 Hz) et gamma (30-100 Hz). Les cellules pyramidales (CP) de CA3 jouent un rôle important dans chacun de ces états ; elles sont nécessaires pour les sharp wave lors de périodes de repos, et les oscillations gamma lors de comportements exploratoires. Dans le but d’étudier les modulations intracellulaires des CP de CA3, nous avons réalisé des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule entière chez l’animal éveillé. Nous avons associé ces enregistrements avec des mesures du diamètre pupillaire et de la vitesse de locomotion de l’animal, ainsi qu’avec l’enregistrement de l’activité oscillatoire du LFP dans l’hippocampe. Nos résultats montrent que certaines CP de CA3 sont sensibles à la modulation intracellulaire lors de différents rythmes hippocampiques, et ont tendance à diminuer leur potentiel de membrane moyen, leur excitabilité, leur variance et leur décharge de potentiel d’action lors des oscillations theta par rapport aux périodes de LIA. De futures études permettront de déterminer si ces changements sont dus à des changements d’entrées synaptiques et/ou de neuromodulateurs. Ces modulations pourraient jouer un rôle dans l’émergence des rythmes oscillatoires du LFP, et permettre à CA3 de réaliser différentes fonctions mnésiques à différents moments.

During the last decades, studies regarding the prospective impact of the alterations at the microscopic scale of the heart tissue in the appearance of arrhythmias (Brugada's syndrome, atrial fibrillation, early repolarization syndrome...) have been more numerous. The amount of experimental data regarding the behaviors and regulations that occur at a cellular and a subcellular (gap junctions, role of specific ionic channels) is increasing and these data provide an adapted frame for the computational mathematicians to develop or improve models and confirm their behaviour. In this thesis, we developed and studied a ``microscopic'' model taking into account the individual geometry of the cells and the gap junctions between them. This model is designed to enhance our understanding of the action potential propagation in a network of cells. We extracted this model using a study of the ions movements in the cells. These movements, described by various microscopic physics equations (electrostatic...), and some dimensional analysis, including an asymptotic study, allow us to derive the model. We then show that the problem described by such a model has a solution, via a semi-implicit time discretization process and compacity arguments. Afterwards, we offer numerous simulations in order to enhance our understanding of the action potential propagation between the cells of various networks. We specifically customize the gap junction models we use (a geometric one, a linear one and a non-linear one) to enhance our comprehension. This thesis introduces many questions. On the short-term, on the comparison between experimental data observed on mice cells and our results. On the long-term regarding the mechanisms regulating the action potential propagation, and their impact on the alterations of the cardiac rhythm.; Dans les dernières décennies, l'impact dû à l'altération de la microstructure du tissu cardiaque dans la survenue de troubles arythmiques (syndrome de Brugada, fibrillation auriculaire, syndromes de repolarisation précoce…) est de plus en plus étudié. Les données expérimentales relatives au fonctionnement et aux régulations intervenant aux échelles cellulaires et subcellulaires (jonctions communiquantes, rôle de certains canaux ioniques) sont de plus en plus nombreuses, et fournissent un cadre adapté aux numériciens pour développer ou affiner des modèles et en valider les comportements. Dans cette thèse, nous proposons le développement et l'étude d'un modèle « microscopique » prenant en compte la géométrie individuelle des cellules et les jonctions communiquantes entre elles. Le modèle vise à comprendre la propagation du potentiel d'action au sein d'un réseau de cellules. Nous établissons ce modèle via une étude du comportement des ions dans les cellules. Ce comportement, décrit par diverses équations de la physique microscopique (électrostatique...), fournit un cadre à partir duquel, en effectuant quelques analyses dimensionnelles et une étude asymptotique, nous dérivons le modèle susmentionné. Puis, nous démontrons l'existence d'une solution à ce modèle à l'aide d'un processus de discrétisation en temps « semi-implicite » et de théorèmes de compacité. Nous proposons ensuite un ensemble de simulations dont l'objet est de comprendre la propagation des potentiels d'action entres cellules au sein d'un réseau, et en particulier le rôle des jonctions communiquantes. Nous étudions différents modèles de jonctions communiquantes, dont un non-linéaire et dépendant du temps. Cette thèse ouvre de nombreuses perspectives, à courte échéance des comparaisons à des observations expérimentales chez la souris, et à plus long terme de recherche sur les mécanismes de propagation à l'échelle cellulaire et leurs impact sur les troubles du rythme cardiaque.

Over the past fifteen years, optogenetics has revolutionized neuroscience research by enabling control of neuronal circuits. The recent development of several illumination approaches, combined with new photosensitive proteins, opsins, have paved the way to neuronal control with the single-cell precision. The new ambition to use these approaches in order to activate tens, hundreds, thousands of cells in vivo has raised many questions, in particular concerning the possible photoinduced damages and the optimization of the choice of the illumination / opsin couple. During my PhD, I developed an experimentally verified simulation that calculates, under all actual illumination protocols, what will be the temperature rise in the brain tissue due to the absorption of light. In parallel, I modeled, from electrophysiology recordings, the intracellular currents observed during these photostimulations, for three different opsins, allowing me to simulate them. These models will allow the researchers to optimize their illumination protocols to keep heating as low as possible in the sample, while helping to generate optimized photocurrent dynamics according to experimental requirements., Depuis maintenant quinze ans, l’optogénétique a bouleversé la recherche en neurosciences en permettant de contrôler les circuits neuronaux. Le développement récent de plusieurs approches d’illumination, combinées à de nouvelles protéines photosensibles, les opsines, ont permis d’ouvrir une voie vers le contrôle neuronale avec la précision de la cellule unique. L’ambition nouvelle d’utiliser ces approches afin d’activer des dizaines, centaines, milliers de cellules in vivo a soulevé de nombreuses questions, notamment concernant les possibles dégâts photoinduits et l’optimisation du choix du couple illumination/opsine. Lors de mon doctorat, j’ai conçu une simulation vérifiée expérimentalement qui permet de calculer, dans toutes les conditions actuelles d’illumination, quel sera l’échauffement au sein du tissus cérébral dû à l’absorption de la lumière par le cerveau. Parallèlement, j’ai paramétré à partir de données expérimentales des modèles de dynamique des populations, à partir d’enregistrements d’électrophysiologie, qui permettent de simuler les courants intracellulaires observés lors de ces photostimulations, pour trois protéines différentes. Ces modèles permettront les chercheurs d’optimiser leurs protocoles d’illumination afin de garantir l’échauffement le plus faible possible dans l’échantillon, tout en favorisant des dynamiques de photocourant adaptées aux besoins expérimentaux.

Mosquito-borne diseases are a permanent public health threat. The main way to protect populations against infectious bites relies on the use of insecticides, but their efficacy is threatened by the spread of resistance mechanisms among vector populations. In this context, repellents are a promising tool for reducing both mosquito nuisance and infection risk. Among them, DEET (N, N-diéthyl-3-méthylbenzamide) has proven great efficacy both in laboratory and field experiments. Despite this, repellents, are still used from an empirical way and their mode of action remains poorly understood. The aim of the present project was to: i) participate to the evaluation of the potential of integration of the DEET repellent in mosquito control, ii) measure the impact of mosquito physiological parameters of epidemiological relevance such as experience, age and infection, on the efficacy of repellents and insecticides, and iii) quantify the impact of repellents and insecticides on mosquito life-history traits. Experiments were performed on Anopheles gambiae and Aedes albopictus, vectors of the malaria parasite and of arboviruses such as dengue, respectively. Our results allowed to demonstrate that mosquito physiological state influences the efficacy of control tools; first, after successfully obtaining a blood meal in contact with permethrin, mosquitoes carrying kdr mutation are no longer inhibited by this compound at the subsequent exposure, at the recommended dose for net impregnation and under our experimental design. On the contrary, a first blood meal obtained in presence of DEET does not affect its efficacy at the following exposure. Then, DEET appeared to be more efficient against old mosquitoes that against younger ones, and results are consistent in the two species, independently of the insecticide resistance status. Besides, efficacy of DEET and deltamethrin is not modified when mosquitoes are infected with Plasmodium falciparum. However, an increased mortality was observed in anopheles when infected with transmissible stages (i.e. sporozoites), independently of chemical exposure, which suggest a cost of infection and seems to be “replicate-dependent”. Finally, DEET produces a long-term impact on mosquito fecundity and fertility, which is not observed with permethrin under our protocol. These results give insights to redefine the priorities in mosquito control programs, in order to specifically targeting mosquitoes that are the most susceptible to transmit pathogens. These observations also underline the need for considering both mosquito physiological state and the long-term impact of repellents and insecticides during the evaluation of control tools.; Les maladies transmises par les moustiques représentent une menace permanente en santé publique. La principale mesure pour protéger les populations contre les piqûres infectieuses repose actuellement sur l’utilisation d’insecticides, mais celle-ci est menacée par la propagation des mécanismes de résistance au sein des populations de moustiques. Dans ce contexte, les répulsifs représentent un outil de choix pour réduire à la fois les nuisances provoquées par les moustiques et le risque d’infection. Parmi eux, le DEET (N, N-diéthyl-3-méthylbenzamide) a prouvé une efficacité remarquable aussi bien lors d’expérimentations en laboratoire que sur le terrain. Malgré cela, les répulsifs ont toujours été utilisés de manière empirique, et leur mode d’action reste très mal connu. Le but de ce projet de thèse a été : i) de participer à l’évaluation du potentiel d’intégration du répulsif DEET dans la lutte antivectorielle, ii) de mesurer l’impact de paramètres physiologiques du moustique d’intérêt épidémiologique tels que l’expérience, l’âge et l’infection sur l’efficacité des méthodes de lutte, répulsifs et insecticides pyréthrinoïdes et iii) de quantifier l’impact des répulsifs et insecticides sur les traits d’histoire de vie des moustiques. Les expériences ont été réalisées sur Anopheles gambiae et Aedes albopictus, respectivement vecteurs de l’agent du paludisme et d’arbovirus tels que le virus de la dengue. Nos résultats ont permis de démontrer que l’état physiologique du moustique influe sur l’efficacité des méthodes de lutte ; premièrement, les moustiques porteurs de la mutation kdr ayant obtenu un repas de sang en contact avec de la perméthrine ne sont plus irrités par ce composé lors d’une seconde exposition, dans les conditions testées et à une dose recommandée pour l’imprégnation de moustiquaires. Au contraire, un repas de sang obtenu en présence DEET n’a pas affecté l’efficacité de ce composé à inhiber un repas de sang à l’exposition suivante. Ensuite, le DEET s’est montré plus efficace chez les moustiques âgés que chez les moustiques jeunes, et les résultats sont similaires chez les deux espèces et indépendants du statut de résistance aux insecticides. D’autre part, l’efficacité de la deltaméthrine et du DEET ne sont pas modifiés lorsque les moustiques sont infectés par le parasite Plasmodium falciparum. Cependant, une augmentation de la mortalité a été observée chez les femelles anophèles infectées au stade sporozoites lors de certaines expérimentations, indépendamment du traitement chimique de la moustiquaire, et suggère un coût de l’infection « réplicat-dépendant ». Enfin, le DEET génère un impact au long terme sur la fécondité et la fertilité des moustiques, effets qui ne sont pas observés dans notre protocole pour la perméthrine. Ces résultats donnent donc des pistes pour redéfinir les priorités dans les programmes de lutte, afin de cibler en premier lieu les moustiques les plus à même de transmettre des pathogènes. Ils soulignent également la nécessité de considérer à la fois l’état physiologique du moustique et l’impact sur le long terme des insecticides et répulsifs lors de l’évaluation des outils de lutte.

Navigating a busy street while talking on the phone is trivial for a majority of the population. However, how the brain extracts the relevant information from the ever-changing and cluttered acoustic environment to produce the appropriate behavior remains poorly understood. The proposed thesis investigates neural basis of the extraction of relevant information in complex, continuous streams for goal-directed behavior using a combination technique linking electrophysiology to psychophysics. Humans and ferrets performed a similar change detection task that consisted of reporting changes in the underlying statistics of a toned cloud. The brain electrical activity was recorded (scalp level for humans and cell level for ferrets) while subjects engaged in the task. Overall, we find area-specific cortical responses: change-related responses are generalized along the cortical pathway. In addition, task engagement strongly modulates the frontal cortex where decision-related responses are found., Se déplacer dans une rue tout en discutant au téléphone est une action triviale pour une majorité de la population. Cependant, comment le cerveau parvient à extraire les informations pertinentes d'un environnement acoustique aussi complexe afin de produire un comportement adéquat reste encore actuellement peu compris. La thèse présentée explore les bases neurales de l'extraction d'informations pertinentes dans un flux complexe et continu afin de produire un comportement. Les sujets (humains et furets) détectent des changements dans les statistiques de nuages de tons pendant que leur activité électrique cérébrale (sur le scalp, pour le furet) est enregistrée. Les différentes zones du cortex enregistrées présentent des activités spécifiques : les réponses liées au changement se généralisent le long de la hiérarchie corticale. De plus, l'engagement dans la tâche module spécifiquement les réponses frontales au changement et à la décision.

Huntington’s disease (HD) is a rare genetic neurodegenerative disorder. Curative treatments are still actively sought. HD is induced by a mutation in the HTT gene inducing an abnormal expansion of the polyQ domain contained in the Huntingtin protein (Htt). Mechanisms and consequences of this mutation are now well described and allowed to identify an interaction of the Htt with the brain derived neurotrophic factor (BDNF) signaling pathway. BDNF is a neurotrophic factor, which plays important roles, through TrkB, one of its receptor, in neuronal development and plasticity. Mutant Htt (mHtt) down-regulates BDNF and TrkB transcription and transport along the axons.P42, a part of the Htt protein, is a 23aa peptide able to rescue HD pathological phenotypes, such as aggregation, axonal transport and neuronal viability.The aim of my PhD was to better understand the mechanisms of action of P42, in a purpose to optimize its therapeutic potential. To this end I developed different studies using different models.In a paper now accepted for publication in HMG, I first used a P42-based treatment on R6/2 HD mice, to analyze the effect of P42 on the BDNF/TrkB signaling pathway. To this end I analyzed pathologic phenotypes: behaviors or cell mechanisms developing in R6/2 mice and are related to the BDNF/TrkB pathway. I also measured BDNF and TrkB, mRNA or protein levels in both striatum and cortex. What I found is that P42 is acting on BDNF/TrkB pathway mainly by increasing the protein level of TrkB in the striatum.To observe the effect of P42 on vesicular transport, I rather used a Drosophila model, to perform live imaging based studies, in different transgenic conditions: with or without mHTT or P42.Also, in a way to better follow the progression of different pathological phenotypes and the effect of treatments on R6/2 mice, I benefited from a very recent and innovative tool, the HAMLET, which allows a multi-behavioral test.Finally, a bitherapy was used on R6/2 mice combining P42 and P3, a peptide raised against PolyQ mRNA that are also toxic.All those results contribute or will contribute to a better understanding of P42 mechanisms of action.; La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative progressive héréditaire. Aucun traitement curatif n’a encore été trouvé. La MH est provoquée par une mutation dans le gène HTT induisant l’augmentation anormale du domaine PolyQ (>36) contenue dans la Huntingtine (Htt), la protéine codée par le gène HTT. Les conséquences et les mécanismes de cette mutation sont maintenant bien décrits et ont permis d’identifier une interaction importante entre la Htt et la voie de signalisation du BDNF. Le BDNF est un facteur neurotrophique qui joue des rôles importants, à travers l’activation de son récepteur TrkB, dans le développement et le maintien des neurones et également dans la plasticité des réseaux synaptiques. La Htt mutante (mHtt) diminue l’expression et le transport du BDNF et de TrkB dans les neurones.P42, une partie de 23 acides aminés de la Htt, est capable de sauver de nombreux phénotypes pathologiques induits dans la MH.L’objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes d’action de P42, dans le but d’optimiser son potentiel thérapeutique. Pour cela, j’ai développé plusieurs expériences sur plusieurs modèles. Dans un article, publié dans HMG, je montre les effets d’un traitement avec P42 sur la voie de signalisation BDNF/TrkB dans un modèle de MH : les souris R6/2. Pour cela, j’ai analysé plusieurs phénotypes pathologiques, comportements et mécanismes cellulaires développés par les souris R6/2 et connus pour être dépendants de la voie BDNF/TrkB. J’ai également mesuré les taux d’ARNm et de protéine, du BDNF et de TrkB, dans le cortex et le striatum. Ce que j’ai trouvé est que P42 agit sur la voie BNDF/TrkB principalement en augmentant l’expression de TrkB dans le striatum.Afin d’observer l’effet de P42 sur le transport vésiculaire, j’ai également utilisé la drosophile comme modèle. Grâce à ce modèle, j’ai pu observer in vivo le transport vésiculaire dans différentes conditions avec ou sans mHtt ou P42.Egalement, dans le but de mieux suivre l’évolution des différents phénotypes pathologiques induits par la MH et l’effet du traitement par P42, j’ai expérimenté le Hamlet test®, un test innovant multi-comportemental.Enfin, j’ai observé sur les souris R6/2, l’effet d’une bithérapie P42 avec P3, un peptide ciblant les effets toxiques induits par les ARN codants pour un PolyQ.Tous ces résultats permettent ou vont permettre de mieux comprendre les mécanismes d’action de P42.

Les canaux calciques CaV1.2 activés par la dépolarisation membranaire jouent un rôle majeur dans le couplage excitation-contraction en promouvant l’entrée de Ca2+ dans les cellules cardiaques. Une perturbation de la fonction de ces canaux a été associé avec l’apparition de maladies cardiovasculaires telles que les arythmies cardiaques. Ces canaux forment un complexe hétéromérique constitués de la sous-unité principale CaVa1C formant le pore et de l’association d’au moins deux sous-unités auxiliaires. L’interaction avec la sous- unité cytoplasmique CaVb est importante pour l’adressage membranaire du canal tandis que la liaison de la sous-unité extracellulaire CaVa2d1 augmente les densités de courant d’un facteur 5 à 10 et permet l’activation du canal à des potentiels physiologiques. L’ensemble de ces sous- unités est donc nécessaire pour reproduire les propriétés biophysiques du canal natif. Tandis que la modulation fonctionnelle du canal CaVa1 par CaVb a été bien caractérisée, les mécanismes de régulation par la protéine CaVa2d1 ne sont pas encore élucidés. La caractérisation structurale de CaVa2d1 a été entreprise mais l’extrême complexité d’organisation de cette protéine en raison de ces multiples modifications post-traductionnelles (seize sites de glycosylation, ponts disulfures intra- et intermoléculaires, délétion du C- terminal pour son ancrage membranaire) a limitée cette étude. Notre stratégie alternative a alors été de purifier séparément les domaines structuraux de CaVa2d1 dans le but d’étudier leurs structures 3D. La structure du domaine Cache2 obtenue à basse résolution par diffusion des rayons X aux petits angles a révélé un repliement majoritairement en feuillets-b et la présence de nombreuses régions flexibles. Cependant, la publication en 2016 de la structure du canal calcique homologue CaV1.1 purifié à partir de muscle squelettique à une résolution de 3.6 Å par cryo-microscopie électronique a fourni l’essentiel des détails structuraux sur la sous- unité CaVa2d1. Cette structure a montré que le domaine VWA de CaVa2d1 se situe à une distance atomique de CaVa1S. Dans le but de mieux comprendre comment cette association contribue à la fonction de CaVa2d1 dans les cellules cardiaques, nous a amené à étudier les déterminants moléculaires responsables de l’interaction entre CaVa1C (CaV1.2) et CaVa2d1. Nos études combinées de modélisation par homologie, électrophysiologie et co-immunoprécipitation ont montré, dans un premier temps, que les deux résidus aspartates (Asp- 180 et Asp-181) situés dans la boucle S1S2 du domaine I (IS1S2) de CaV1.2 étaient critiques pour la modulation du canal par CaVa2d1. Plus particulièrement, l’Asp-181 est crucial pour l’interaction physique avec CaVa2d1 tandis que l’Asp-180 joue un rôle important dans le déplacement du potentiel d’activation du canal vers des valeurs hyperpolarisantes. Nous avons, dans un second temps, montré que l’Asp-259 dans CaVa2d1 était nécessaire pour capter un ion Ca2+ et permettre le repliement optimal du site MIDAS (metal-ion-dependant adhesion site) sur le domaine VWA (Won Willebrand factor A) de la protéine. Dans cette conformation, la Ser-261 et la Ser-263 de CaVa2d1 peuvent alternativement établir une liaison électrostatique avec l’Asp-181 de CaV1.2 ce qui stabilise l’interface et permet la régulation du canal par CaVa2d1. Nos travaux ont révélé de nouveaux mécanismes moléculaires, par lesquels, la liaison de CaVa2d1 avec la boucle IS1S2 de CaV1.2 induit un réarrangement structural local à travers de multiples interactions fonctionnant en synergie ce qui facilite l’ouverture du canal, et indirectement l’augmentation des densités de courants à travers le pore., Voltage-gated calcium channels play a key role in the excitation-contraction coupling by promoting Ca2+ influx through CaV1.2 into the cardiac cells. A dysregulation in the function of this channel has been involved in cardiac arrhythmias. L-type voltage-gated calcium channels are formed by the main pore-forming CaVa1C subunit assembled with two auxiliary subunits. The cytoplasmic CaVb subunit strongly interacts with the intracellular loop between repeat I and II of CaVa1 and promote cell surface expression of the channel whereas the interaction with the extracellular CaVa2d1 subunit increases by 5- to 10-fold the peak current density and promote channel activation within a physiological range. The full set of subunits is required to reproduce the biophysical properties of the native channel. For L-type voltage-gated calcium channel, the mechanism whereby CaVa2d1 exerts its function is still not fully understood. A structural determination of CaVa2d1 conducted using a typical biochemical approach was initiated but many post-translational modifications (16 Nglycosylation sites, intra- and extra-disulfide bonds, glycosylphosphatidylinositol anchor) prevented the purification of the entire protein. We then devised a “divide-and-conquer” strategy that lead to the purification of the Cache2 domain of CaVa2d1. The low-resolution structure of the Cache2 domain by small angle X-rays scattering revealed a predominantly fold in b-sheet with multiple flexible regions. The publication in 2016 of the high-resolution structure of the homologous CaV1.1 channel complex at 3.6 Å of resolution solved by cryoelectronic microscopy provided crucial molecular details regarding the organization of the structural domains of CaVa2d1 but also its spatial orientation within the CaV1.1 complex. In particular, the VWA domain of CaVa2d1 appears to come within atomic distance of many extracellular loops of CaVa1 subunit. To establish whether physical interaction between the two proteins is essential to mediate the functional regulation of CaV1.2 current by CaVa2d1, we investigated the molecular determinants responsible for the interaction between CaVa1C (CaV1.2) and CaVa2d1. Using homology modeling, electrophysiology and coimmunoprecipitation experiments we demonstrated that residues in the first extracellular loop in repeat I of CaV1.2 play a dominant role in the interaction and modulation by CaVa2d1. In particular, CaV1.2 Asp-181 anchors the physical interaction with CaVa2d1 while CaV1.2 Asp- 180 mediates the channel activation in a physiological range of membrane potential. In addition, we have explored the contribution of metal ion-dependant adhesion site (MIDAS) residues within the Won Willebrand Factor-A (VWA) domain of CaVa2d1 in mediating channel modulation. Our results show that mutating side chain at position Asp-259 and Ser- 261 eliminate channel modulation although these residues are not predicted to be within atomic distance of CaVa1. Hence, we propose that CaVa2d1 Asp-259 captures the Ca2+ ion which in turn folds the MIDAS motif within the VWA domain of CaVa2d1. The folding of the MIDAS around the Ca2+ locks CaVa2d1 Ser-261 and Ser-263 within atomic distance of CaVa1C Asp-181. This network of molecular interactions stabilizes the protein-protein interface demonstrating that high affinity binding of CaVa2d1 induce a local structural rearrangement that facilitate CaV1.2 channel opening and consequently increase Ca2+ influx through the pore. Al together, the result emerging from these studies provide novel mechanism insight regarding the function of the cardiac CaV1.2 channel.

Long term storage of episodic memories requires memory formation during awake experience as well as memory consolidation, a process strengthening the memory taking place during sleep. The rapid encoding of memory traces takes place in the hippocampus during awake behaviour. In sleep, hippocampal memory traces are `replayed' during sharp wave-ripples -- brief (50-150 ms) high-frequency oscillatory patterns of high synchronous activity. The synchronous bursting of hippocampal neurons during ripples makes them a key player in systems memory consolidation -- the process of communicating memories to the neocortex for long-term storage.Cortical activity in sleep is dominated by the slow oscillation -- the synchronous alternation of cortical neurons between a depolarised (UP) state associated with high levels of endogenous activity, and a brief (~200 ms) hyperpolarized (DOWN) state when neurons remain silent. DOWN states are accompanied by large deflections of the local field potential -- delta waves, while UP states bring elevated activity and thalamocortical spindles, both of which can drive synaptic plasticity. Systems memory consolidation is thought to involve the coordination between hippocampal and cortical rhythms -- notably, hippocampal ripples precede (~130 ms) cortical delta waves, which are then followed by thalamocortical spindles.To test if this temporal coupling drives memory consolidation, we triggered cortical delta waves following ripples to enhance the co-occurrence of coupled ripple-delta events. This boosted memory consolidation and rat performance on a spatial memory task, and resulted in a reorganisation of prefrontal cortical networks following induced delta waves as well as increased prefrontal responsivity to the task on the next day. Crucially, these enhancements were not observed when a small delay (160-240 ms) was introduced in addition to the endogenous coupling, indicating the stabilization of memory traces requires a very fine-tuned interaction between ripples and delta waves.How can the 'interruption' of cortical activity by generalised periods of silence during delta waves underlie memory consolidation when it occurs precisely between information transfer (hippocampal replay) and network plasticity (UP state)? Contrary to a generally accepted tenet, we found that delta waves are not periods of complete silence, and that the residual activity is not mere neuronal noise. Instead, cortical cells fired `delta spikes' during delta waves in response to transient reactivation of hippocampal ensembles during ripples, and this occurred selectively during endogenous or induced memory consolidation. This suggests a new role for delta waves -- namely, that the synchronised silence of the large majority of cells isolates the network from competing inputs, while a select subpopulation of neurons remain active in response to hippocampal replay, bridging information between UP states and coordinating memory consolidation., Le stockage à long terme des souvenirs épisodiques requiert la formation de la mémoire pendant l'expérience d'éveil ainsi que la consolidation de la mémoire, un processus de renforcement de la mémoire qui a lieu pendant le sommeil. L'encodage rapide des traces mnésiques a lieu dans l'hippocampe pendant l'éveil. Pendant le sommeil, les traces mnésiques de l'hippocampe sont « rejouées » pendant les ondulations -- de brefs motifs oscillatoires hippocampiques (50-150 ms) à haute fréquence associés à une activité synchrone élevée. Les bouffées d'activité synchrone des neurones de l'hippocampe pendant les ondulations font d'eux des acteurs clés dans la consolidation de la mémoire des systèmes -- le processus de communication des mémoires vers le néocortex pour un stockage à long terme.L'activité corticale dans le sommeil est dominée par l'oscillation lente -- l'alternance synchrone des neurones corticaux entre un état dépolarisé (état HAUT) associé à des niveaux élevés d'activité endogène, et un état bref (~200ms) hyperpolarisé (état BAS) lorsque les neurones restent silencieux. Les états BAS sont accompagnés de grandes déviations du potentiel de champ local -- ondes delta, tandis que les états HAUTS sont associés à une activité élevée et des fuseaux thalamocorticaux, deux processus pouvant entraîner une plasticité synaptique. On pense que la consolidation de la mémoire des systèmes implique une coordination entre les rythmes hippocampiques et corticaux -- notamment, les ondulations hippocampiques précèdent (~130ms) les ondes delta corticales, qui sont ensuite suivies par des fuseaux thalamocorticaux.Pour vérifier si ce couplage temporel entraîne une consolidation de la mémoire, nous avons déclenché des ondes delta corticales suite à des ondulations hippocampiques afin d'améliorer la cooccurrence d'événements ondulation-delta couplés. Cela a augmenté la consolidation de la mémoire et la performance du rat sur une tâche de mémoire spatiale, et a entraîné une réorganisation des réseaux corticaux préfrontaux suite à des ondes delta induites ainsi qu'une réponse accrue du cortex préfrontal à la tâche le lendemain. De manière cruciale, ces améliorations n'ont pas été observées lorsqu'un retard (160-240 ms) a été introduit en plus du couplage endogène, indiquant que la stabilisation des traces mnésiques nécessite une interaction très fine entre les ondulations et les ondes delta.Comment l'interruption de l'activité corticale par des périodes de silence généralisées pendant les ondes delta peut-elle sous-tendre la consolidation de la mémoire lorsqu'elle se produit précisément entre le transfert d'informations (réactivation hippocampique) et la plasticité du réseau (état HAUT) ? Contrairement à un principe généralement accepté, nous avons constaté que les ondes delta ne sont pas des périodes de silence complet, et que l'activité résiduelle n'est pas un simple bruit neuronal. Au lieu de cela, nous avons montré que les cellules corticales émettent des « delta spikes » pendant les ondes delta en réponse à la réactivation transitoire d'ensembles hippocampiques pendant les ondulations, et que cela se produit sélectivement pendant la consolidation endogène ou induite de la mémoire. Ces résultats suggèrent un nouveau rôle pour les ondes delta, à savoir que le silence synchronisé de la grande majorité des cellules isole le réseau des entrées concurrentes, tandis qu'une sous-population sélectionnée de neurones reste active en réponse aux réactivations de l'hippocampe, faisant le pont entre les états HAUTs et coordonnant la consolidation de la mémoire.

Cell Penetrating Peptides (CPPs) are known to be able to cross cell membranes with a cargo through two different mechanisms: endocytosis and direct translocation. However, the molecular mechanism of the translocation remains unknown. Our objectives are to find the intermediate structures formed by the CPP and the protein, sugar, and lipid partners, to quantify the strength of the interactions and to measure the kinetics of the steps of the interaction of a CPP with a membrane. This is achieved by using two approaches : (i) coupled BioMembrane Force and electrophysiology, (ii) model membrane in inverse emulsions. (i) Biomembrane Force Probe is a technique for measuring the adhesion force between few molecules grafted on a micrometric bead and a target cell or a liposome. This technique has been used to identify partners of CPP at the cell surface. Electrophysiological measurements on the target cell enable to detect a possible perturbation of a membrane interacting with CPPs. (ii) Inverse emulsions are aqueous droplets into oil covered by lipids. At the interface between two adhering droplets a bilayer is formed. We monitor the translocation of fluorescently labeled CPP through this bilayer. The translocation of several CPPs through negatively charged bilayer within tens of minutes has been detected. The nature of the lipids and the asymmetry of the bilayer seem to impact the translocation. We are currently improving the formation of the pairs of droplets with microfluidic devices for statistical analysis.; Faire traverser une membrane cellulaire à des molécules bioactives est un enjeu majeur dans des perspectives thérapeutiques ou de diagnostique. En effet l’activité de nombreuses molécules bioactives, médicaments ou agents de contraste pour l’imagerie médicale, est limitée par leur faible capacité à entrer à l’intérieur des cellules cibles. Une classe de molécules, les "Cell Penetrating Peptides" (CPP), possède la propriété de traverser la membrane cellulaire en entraînant des molécules bioactives liées covalemment ou non. Les CCP permettent ainsi d’améliorer l’efficacité et le ciblage de molécules telles que des acides nucléiques (siRNA ou plasmide), des protéines, des agents de contraste. Cependant le mécanisme moléculaire de la traversée de la membrane par les CPP est encore mal connu. Nous cherchons à obtenir une description détaillée (cinétique et énergétique) des différentes étapes (adhésion/insertion/traversée) de l’interaction des CPP avec la membrane d’une cellule. Dans ce but nous développons une approche originale couplant une mesure de force d’interaction entre les CPP et la membrane via la technique du "Biomembrane Force Probe" et une mesure électrique de type électrophysiologie permettant de déterminer le degré d’insertion des CPP dans la membrane et l’état de cette dernière. En parallèle, nous mettons en place des outils de microfluidique qui nous permettront de tester sur des systèmes modèles l’impact de différents paramètres (nature du lipide, charge, température …) sur la traversée d’une membrane par un CPP. Ce travail est effectué en collaboration avec le Laboratoire des BioMolécules (LBM) et le Laboratoire Interface et Système Electrochimique (LISE).

Cell Penetrating Peptides (CPPs) are known to be able to cross cell membranes with a cargo through two different mechanisms: endocytosis and direct translocation. However, the molecular mechanism of the translocation remains unknown. Our objectives are to find the intermediate structures formed by the CPP and the protein, sugar, and lipid partners, to quantify the strength of the interactions and to measure the kinetics of the steps of the interaction of a CPP with a membrane. This is achieved by using two approaches : (i) coupled BioMembrane Force and electrophysiology, (ii) model membrane in inverse emulsions. (i) Biomembrane Force Probe is a technique for measuring the adhesion force between few molecules grafted on a micrometric bead and a target cell or a liposome. This technique has been used to identify partners of CPP at the cell surface. Electrophysiological measurements on the target cell enable to detect a possible perturbation of a membrane interacting with CPPs. (ii) Inverse emulsions are aqueous droplets into oil covered by lipids. At the interface between two adhering droplets a bilayer is formed. We monitor the translocation of fluorescently labeled CPP through this bilayer. The translocation of several CPPs through negatively charged bilayer within tens of minutes has been detected. The nature of the lipids and the asymmetry of the bilayer seem to impact the translocation. We are currently improving the formation of the pairs of droplets with microfluidic devices for statistical analysis.; Faire traverser une membrane cellulaire à des molécules bioactives est un enjeu majeur dans des perspectives thérapeutiques ou de diagnostique. En effet l’activité de nombreuses molécules bioactives, médicaments ou agents de contraste pour l’imagerie médicale, est limitée par leur faible capacité à entrer à l’intérieur des cellules cibles. Une classe de molécules, les "Cell Penetrating Peptides" (CPP), possède la propriété de traverser la membrane cellulaire en entraînant des molécules bioactives liées covalemment ou non. Les CCP permettent ainsi d’améliorer l’efficacité et le ciblage de molécules telles que des acides nucléiques (siRNA ou plasmide), des protéines, des agents de contraste. Cependant le mécanisme moléculaire de la traversée de la membrane par les CPP est encore mal connu. Nous cherchons à obtenir une description détaillée (cinétique et énergétique) des différentes étapes (adhésion/insertion/traversée) de l’interaction des CPP avec la membrane d’une cellule. Dans ce but nous développons une approche originale couplant une mesure de force d’interaction entre les CPP et la membrane via la technique du "Biomembrane Force Probe" et une mesure électrique de type électrophysiologie permettant de déterminer le degré d’insertion des CPP dans la membrane et l’état de cette dernière. En parallèle, nous mettons en place des outils de microfluidique qui nous permettront de tester sur des systèmes modèles l’impact de différents paramètres (nature du lipide, charge, température …) sur la traversée d’une membrane par un CPP. Ce travail est effectué en collaboration avec le Laboratoire des BioMolécules (LBM) et le Laboratoire Interface et Système Electrochimique (LISE).

Oxytocin (OT) is a peptide synthesized within the hypothalamus. We now know that OT is strongly involved in the modulation of many behaviors and emotions. However, it is still difficult to explain how the oxytocinergic system is organized, for example in specific sub-populations. Similarly, the neuronal circuits involved in their recruitment remain obscure, like their potential plasticity. That is why, during my thesis, I tried to better understand these different points. The results obtained showed that i) a specific sub-population of OT neurons is recruited by fear; ii) the OT system exhibits great plasticity after exposure to a scary context; iii) the neuropeptide S is able to recruit an OT neuron sub-population in order to exert an anxiolytic effect; iv) monoaminergic neurotransmitters are themselves able to recruit different sub-populations of OT neurons. In conclusion, my work has highlighted the plasticity of this peptidergic system and different ways to recruit in a specific manner some existing sub-populations of OT neurons., L’ocytocine (OT) est un neuropeptide synthétisé au sein de l’hypothalamus. On sait aujourd’hui que l’OT est fortement impliquée dans la modulation de nombreux comportements et émotions. Pourtant, il reste encore difficile d’expliquer comment s’organise le système ocytocinergique, par exemple en sous-ensembles spécifiques. De même, les circuits neuronaux impliqués dans leur recrutement restent obscures, tout comme leur potentielle plasticité. C’est pourquoi, au cours de ma thèse, je me suis attachée à mieux comprendre ces différents points. Les résultats obtenus ont montré que i) un sous-ensemble spécifique de neurones OT est recruté par la peur ; ii) le système OT fait preuve d’une grande plasticité après une exposition à un contexte effrayant ; iii) le neuropeptide S est capable de recruter une sous-population de neurones OT afin d’exercer une action anxiolytique ; iv) les neurotransmetteurs monoaminergiques sont eux-mêmes capables de recruter différents sous-ensembles de neurones OT. En conclusion, mon travail a mis en évidence la plasticité de ce système peptidergique et différentes manières de recruter de manière spécifiques certains sous-ensembles existants de neurones OT.

Ionotropic glutamate receptors are responsible for the vast majority of fast excitatory neurotransmission in the central nervous system. Among them, NMDA receptors (NMDARs) are key mediators of synaptic plasticity, which is considered as the cellular basis of learning and memory. NMDAR dysfunction is implicated in numerous neurological and psychiatric brain disorders such as Alzheimer and Parkinson’s disease, epilepsy and schizophrenia. NMDAR form massive hetero tetrameric complexes (>500 kDa) endowed with unique allosteric capacity provided by a cluster of eight extracellular clamshell-like domains arranged as two superimposed layers: the Nterminal domain (NTD) layer and the agonist binding domain (ABD) layer. Despite an increasing number of full-length NMDAR structures, the transduction mechanism by which these domains interact in an intact receptor to control its activity remained poorly understood. Combining experimental and in silico analysis, we identify a rolling motion at an interface between the two constitute dimers in the ABD layer as a key determinant in NMDAR activation and modulation pathways. This rotation of the two ABD dimers acts as a conformational switch that tunes channel opening depending on the conformation of the membrane-distal NTD layer. This work unveils how NMDAR domains move and operate in a concerted manner to transduce conformational changes between layers and command receptor activity. It illuminates our understanding of a major synaptic receptor of the central nervous system and paves the way for the development of new pharmacological tools targeting the elucidated allosteric mechanism.; Les récepteurs ionotropiques du glutamate sont responsables de la vaste majorité de la neurotransmission excitatrice rapide dans le système nerveux central. Parmi eux, les récepteurs NMDA (rNMDA) sont les médiateurs de la plasticité synaptique, fondement cellulaire des processus d’apprentissage et de mémoire. Leurs dysfonctionnements sont impliqués dans de nombreuses pathologies neurologiques et psychiatriques comme les maladies d’Alzheimer et de Parkinson, l’épilepsie et la schizophrénie. Les rNMDA forment des complexes hétérotétramériques massifs (>500 kDa) dotés de propriétés allostériques uniques grâce à un ensemble de 8 domaines extracellulaires bilobés organisé en deux strates superposées : la couche de domaines N-terminaux (NTD) et la couche de domaines de liaison de l’agoniste (ABD). Malgré un nombre croissant de structures complètes de rNMDA, le mécanisme de transduction permettant aux interactions entre ces domaines de contrôler l’activité du récepteur restait inconnu. En combinant analyse expérimentale et computationnelle, nous montrons qu’un mouvement de roulis à l’interface entre les deux dimères de la couche d’ABD est un déterminant clé du processus d’activation et de modulation des rNMDA. Cette rotation des deux dimères d’ABD constitue un commutateur conformationnel qui règle l’ouverture du canal en fonction de la conformation des NTD situés à l’opposé. Ce travail révèle comment des changements conformationnels concertés entre couches de domaines gouvernent l’activité des rNMDA. Il illumine notre compréhension d’un récepteur synaptique majeur du système nerveux central et ouvre la voie à la conception de nouveaux agents pharmacologiques ciblant le mécanisme allostérique élucidé.

In the CNS, synaptic release of GABA neurotransmitter is mainly responsible for fast inhibitory transmission. This is mediated by chloride flow through GABAARs. Hence, tight control of chloride homeostasis is critical for maintenance of the efficacy of GABAergic transmission. In mature neurons, this is primarily achieved by the activity of the potassium – chloride transporter KCC2 which extrudes chloride from the cells. Expression of KCC2 is compromised in numerous neurological disorders including epilepsy, Rett syndrome or neuropathic pain. Subsequent alterations of GABAergic signaling through accumulation of intraneuronal chloride are thought to underlie many of the pathological symptoms observed in these conditions. However, KCC2 is also highly expressed in the vicinity of glutamatergic synapses where it plays a major role in controling the efficacy of glutamatergic transmission and gates long-term potentiation of excitatory synapses. Remarkably, these functions did not depend on chloride transport but rather on KCC2 interaction with several protein partners. Hence, KCC2 can be classified as a moonlightning protein with multiple functions at excitatory and inhibitory synapses. This complicates predictions of the overall effect of its suppression on a neuronal network. During my PhD, I characterized the effects of KCC2 downregulation in dentate granule cells at the cellular, synaptic and network levels. Unexpectedly, lack of KCC2 did not impact steady-state GABAergic transmission. In contrast, my work shed light on a novel critical role of KCC2 in controling neuronal excitability through its interaction with the leak-potassium channel Task-3. This in turn alters hippocampal rhythmogenesis. My results thus described a novel mechanism through which KCC2 influence neuronal activity indepently of its transport function. They predict that deficits associated with KCC2 downregulation may be at least partly explained by regulation of cell excitability and point to Task-3 as a new potential therapeutic target in the treatment of these pathologies.; Dans le système nerveux central, la transmission inhibitrice est principalement assurée par le relargage du neurotransmetteur GABA dans la fente synaptique. La fixation du GABA sur les récepteurs GABAA induit en effet un flux entrant d’ions chlorure, résultant en une hyperpolarisation du neurone. Le maintien d’une faible concentration intraneuronale en chlore est donc essentielle à l’action inhibitrice du GABA. Dans les neurones matures, cette fonction est principalement réalisée grâce à l’activité du transporteur potassium – chlore KCC2 qui exporte en permanence les ions chlorures. Dans de nombreuses pathologies neurologiques, telles que l’épilepsie, le syndrome de Rett ou encore les douleurs neuropathiques, on observe une diminution de l’expression de KCC2. Cela conduit à une élévation du niveau de chlore intraneuronal et à une altération de la transmission GABAergique. Cet effet est supposé être à la base de nombre des symptômes observés dans les pathologies citées précédemment. Cependant, KCC2 est également fortement exprimé à proximité des synapses glutamatergiques. Sa présence influence ainsi l’efficacité de la transmission excitatrice et est nécessaire à l’expression de la potentialisation à long terme des synapses. Ces fonctions inattendues de KCC2 aux synapses excitatrice ne reposent pas sur sa fonction de transport de chlore mais plutôt sur ses interactions avec diverses protéines. Ainsi, le transporteur KCC2 possède de multiple fonctions et régule différemment les transmissions excitatrice et inhibitrice. Prédire l’effet de la perte du transporteur sur l’activité globale d’un réseau neuronal est donc compliqué. Durant ma thèse, j’ai caractérisé les effets de la suppression de KCC2 dans les cellules en grains du gyrus denté sur leurs propriétés cellulaires, synaptiques et sur l’activité du réseau hippocampique. De façon inattendue, j’ai montré que la perte de KCC2 ne s’accompagnait pas de modifications majeures de la transmission inhibitrice. En revanche, j’ai mis en évidence un nouveau mécanisme indépendant du transport de chlore par lequel KCC2 contrôle l’excitabilité des neurones et la rythmogénèse hippocampique à travers son interaction avec le canal potassique Task-3. Mes résultats prédisent que les déficits associés à une perte de KCC2 pourraient être en partie expliqués par cet effet sur l’excitabilité. Ils suggèrent également que Task-3 pourrait constituer une nouvelle cible thérapeutique dans le traitement de ces pathologies.

Quelques études ont démontré qu’une intoxication aiguë au monoxyde de carbone (CO) peut entraîner une perte auditive chez l’humain; plusieurs n’ont cependant pas pris en compte l’histoire d’exposition au bruit des participants. Certaines études plus anciennes ont utilisé des méthodes d’évaluation manquant de validité, ce qui limite la connaissance du degré d’atteinte ainsi que des fréquences audiométriques touchées. Pour tenter de combler ces lacunes, la première étude fait la synthèse d’études de cas tirées de la littérature (n=11). Malgré la variabilité des informations rapportées (exposition au bruit, traitement offert), la synthèse permet de conclure que l’intoxication aiguë au monoxyde de carbone peut occasionner une hypoacousie en hautes fréquences, avec amélioration possible dans le temps. Par contre, la majorité des participants n’avaient pas reçu d’oxygénothérapie hyperbare, le traitement habituellement offert aux victimes d’intoxication aiguë au CO. De plus, des effets aggravants d’âge et d’exposition au bruit ne peuvent être exclus, et la seule étude des seuils auditifs ne suffit pas pour conclure que l’ensemble des fonctions système auditif soient intègres. La deuxième étude porte sur des personnes ayant été traitées par oxygénothérapie hyperbare à la suite d’une intoxication aiguë au CO (n=12). Puisque les effets d’une exposition aiguë au CO sur la mémoire et la concentration sont connus et que les données animales suggèrent un effet central de l’intoxication au CO, une batterie de tests incluant des épreuves de traitement auditif a été utilisée. Tel qu’observé à l’étude 1, certains participants présentaient une hypoacousie en hautes fréquences, avec potentiel de récupération. Même en absence d’exposition au bruit, une configuration en forme d’encoche était présente chez certains participants. En général, aucun effet de l’intoxication au CO sur les habiletés de traitement auditif n’a pu être mis en évidence. Lorsque des résultats anormaux sont observés, des effets d’exposition au bruit, de surdité ou de vieillissement semblent en cause. Une corrélation entre la sévérité de l’intoxication et le résultat à l’Écoute Dichotique de Chiffres à gauche est présente, bien que des effets attribuables à une atteinte périphérique ou à l’exposition au bruit ne puissent être exclus. Depuis plusieurs années, la recherche animale laissait supposer que l’atteinte des cellules ciliées externes était le signe le plus précoce d’une exposition au bruit. Des études récentes ont montré une sensibilité encore plus grande de la synapse entre la cellule ciliée interne et la fibre du nerf auditif. Cette atteinte engendrerait une dégénérescence différée de fibres nerveuses du système auditif central. Chez l’humain, ce mécanisme d’atteinte est mal documenté. La troisième étude porte sur l’effet de l’exposition prolongée au bruit sur les habiletés de traitement auditif d’adultes d’âge moyen (n=25). À l’aide d’une batterie de tests disponibles en clinique, une altération de la performance aux tests de traitement auditif faisant usage de stimuli verbaux a été observée, lorsque les données sont comparées aux normes de la littérature obtenues chez de jeunes adultes. De plus, en comparaison à un groupe tiré de la littérature, une plus grande difficulté au test de détection de silence est notée chez les adultes d’âge moyen exposés au bruit. Des corrélations entre les résultats aux potentiels évoqués auditifs du tronc cérébral et ceux aux tests de traitement auditif suggèrent un impact de la qualité de la synchronie neurale sur les habiletés de traitement auditif, et ce indépendamment de l’acuité auditive ou de l’âge. Ces résultats suggèrent que la synaptopathie causée par l’exposition au bruit pourrait entraîner, à long terme, des difficultés de traitement auditif. Si tel était le cas, l’interprétation d’études antérieures ayant considéré l’exposition au bruit comme occasionnant un dommage strictement cochléaire devrait être revue., Some studies have shown that acute poisoning with carbon monoxide (CO) may cause a hearing loss in humans. However, those studies failed to document and take into account the history of noise exposure in their participants. Moreover, in many of those studies, evaluation methods were used that today are not considered valid. The interpretation of the most affected test frequencies and of the potential severity of hearing loss are thus limited. The first study is a synthesis of case studies from literature (n=11) aiming to document which test frequencies are the most susceptible to demonstrate a hearing loss, and how auditory thresholds recover over time. Despite the important variability in the information available regarding the participant’s noise exposure, past medical history and treatments provided for carbon monoxide poisoning, our synthesis showed evidence for high frequencies hearing loss after acute carbon monoxide poisoning, with potential for recovery over time. However, most subjects included in the synthesis were not treated with hyperbaric oxygen therapy, the gold standard treatment for CO poisoning. Moreover, aggravation of the hearing loss by age or noise exposure may have occurred. Auditory thresholds were the only means for assessment of hearing in these subjects. Effects of the CO poisoning on several other hearing functions remain unknown. The participants of the second study were treated with hyperbaric oxygen therapy following acute CO poisoning (n=12). Since CO poisoning is known to cause memory and concentration effects and animal data suggest an auditory central effect of CO poisoning, the test battery included peripheral tests, such as hearing thresholds up to 16 000 Hz, as well as auditory processing tests. As in the first study, some of the participants presented a hearing loss in the high frequencies, sometimes followed by recovery. The second study shows a notch configuration in participant’s audiogram despite the absence of a history of noise exposure. No evidence of auditory processing changes attributed to carbon monoxide poisoning was found. When abnormal results were found, noise exposure, age or hearing loss effects seem the most plausible cause, except possibly for a correlation between CO poisoning severity and dichotic digit test results in the left ear. Outer hair cells damage has been long considered as an early sign of noise exposure. However, recent animal studies have found an even greater sensibility to noise in inner hair cells synapses with auditory nerve fibers. This synaptopathy is believed to lead to delayed auditory nerve fiber deterioration in the central auditory system. In humans, the effects of these changes are not well documented because of the available measurement tools (non-invasive measurements). The third and final study focussed on chronic noise exposure effects on auditory processing in middle-aged participants (n=25). Poorer performances for the tests using speech stimuli were found compared to normative data for young adults found in the literature. When compared to a middle-aged group taken from the literature, poorer low frequency gap detection scores were also found. Rank correlations between auditory brainstem responses to clicks and auditory processing performances also suggest that neural synchrony impacts auditory processing capacities. Those correlations were independent (rho < 0.4) from age and hearing loss effects. These results suggest that noise-induced cochlear synaptopathy may lead, after many years, to auditory processing alterations. If this is true, it may be necessary to review the interpretation of some existing studies that participants with chronic exposure to noise had a strictly cochlear hearing damage.

Cortical neurons are organized in networks which allow complex functions. Abnormalities of neuronal connections composing these networks can lead to functional alterations and pathological activities as in some forms of epilepsy. Absence-epilepsy is characterized by non-convulsive generalized seizures associated with synchronous and bilateral spike-and-wave discharges (SWD) on electroencephalographic recordings and impairment of consciousness. Many studies in patients and animal models have shown that SWD are initiated in the cortex but our understanding of underlying neuronal connection alterations remain limited. We hypothesized that SWD may result from an increased neuronal connectivity. To test this hypothesis, we used a genetic model of absence-epilepsy, the GAERS rat. By studying the structural connectivity of primary somatosensory cortex, the SWD-initiating area in GAERS, by retrograde monosynaptic tracers and the functional connectivity by in vivo multi-channel extracellular electrophysiology, we were able to describe the circuit of SWD generation and propagation across cortical layers. This pathological circuit is different from the canonical circuit of sensory information processing as SWD are initiated by deep layer neurons. These neurons present an intralaminar global and a translaminar GABAergic hyperconnectivity and by decreasing these connections by synchrotron-generated microtransections we were able to reduce the power of SWD. We next investigated if the pathological circuit would interfere with sensory integration. By using a texture discrimination task we showed that sensory information integration is unaltered in GAERS. By using vibrissae stimulations during in vivo multi-channel extracellular electrophysiology recordings we showed that the canonical circuit remain functional in GAERS. Altogether, our data suggest that SWD in GAERS are generated by an abnormal structural network in the somatosensory cortex but that this pathological circuit do not interfere with the physiological function of this brain area.; Les neurones du cortex sont organisés en réseaux qui permettent de réaliser des fonctions complexes. Des anomalies des connexions neuronales qui forment ces réseaux peuvent altérer son fonctionnement et générer des activités pathologiques comme c’est le cas dans certaines formes d’épilepsie. L’épilepsie-absence est caractérisée par des crises généralisées non-convulsives présentant lors d’un enregistrement électroencéphalographique des décharges de pointes-ondes (DPO) bilatérales et synchrones qui s’accompagnent d’une altération de la conscience. Plusieurs équipes ont montré chez l’Homme et dans des modèles animaux que ces DPO sont initiées au niveau du cortex. Cependant, notre connaissance des altérations de connectivité neuronale qui sous-tendent ces activités reste encore très limitée. Nous avons émis l’hypothèse que les DPO sont favorisées par une connectivité neuronale exacerbée. Nous avons examiné cette hypothèse dans un modèle génétique d’épilepsie-absence, le rat GAERS. En étudiant la connectivité structurelle du cortex somatosensoriel primaire, aire d’initiation des DPO chez le GAERS, par traçage rétrograde monosynaptique ainsi que sa connectivité fonctionnelle par enregistrements électrophysiologiques extracellulaires multi-canaux in vivo, nous avons caractérisé le circuit de génération et de propagation des DPO entre les couches corticales. Ce circuit pathologique est différent du circuit canonique d’intégration de l’information sensorielle puisque les DPO sont initiées par les neurones des couches profondes. Ces neurones présentent une hyperconnectivité intralaminaire globale et translaminaire GABAergique et lorsque l’on altère ces connexions pathologiques par microtransection rayon-X synchrotron on réduit la puissance des DPO. Nous nous sommes ensuite intéressés à l’interférence que pouvait avoir le circuit pathologique sur l’intégration sensorielle. En utilisant un test de discrimination de texture nous avons monté que le traitement de l’information sensorielle liée aux vibrisses n’est pas altéré chez le GAERS. Grâce à des stimulations des vibrisses pendant des enregistrements électrophysiologiques extracellulaires multi-canaux in vivo, nous avons pu montrer que le circuit canonique est fonctionnel chez le GAERS. L’ensemble de nos données suggèrent que, chez le GAERS, les DPO sont sous-tendues par un réseau structurellement anormal au sein du cortex somatosensoriel mais que ce circuit pathologique n’empêche pas la fonction physiologique de cette région du cortex.

Une littérature abondante documente les bénéfices de l’intégration multisensorielle chez les adultes ainsi que les mécanismes cérébraux sous-jacents à ces habiletés. Toutefois, de nombreuses questions sur le développement de l’intégration multisensorielle chez l’enfant demeurent sans réponse et les travaux chez les animaux ainsi que les données comportementales, électrophysiologiques et en neuroimagerie chez l’homme ne forment pas de consensus quant à son caractère inné ou acquis. Le premier objectif de la présente thèse vise donc à recenser les écrits de la littérature sur le développement des capacités d’intégration multisensorielle. Cette revue de la littérature, qui constituera l’article 1 de la thèse, présente les études comportementales et neuronales en faveur du caractère inné ou acquis des processus d’intégration multisensorielle. L’article 1 suggère que certaines habiletés de traitement multisensoriel sont présentes chez le nourrisson et le jeune enfant, mais que la capacité à intégrer les informations multisensorielles de façon optimale demeure un long processus qui se développe tardivement au cours de l’enfance et de l’adolescence. Cette revue nous a également permis de mieux cibler les lacunes de la littérature relatives au développement neuronal des capacités d’intégration, avec une attention particulière sur l’intégration d’informations audiovisuelles non linguistiques. Ainsi, aucune étude en électrophysiologie ne s’est encore penchée sur la progression développementale des capacités d’intégration audiovisuelle chez les nourrissons et les enfants d’âge préscolaire. Ce constat a justifié la tenue de l’étude expérimentale présentée à l’article 2 dont l’objectif vise à caractériser la progression développementale neurotypique des mécanismes d’intégration d’informations audiovisuelles non linguistiques dès l’âge de 3 mois jusqu’à l’âge adulte. Cette recherche vise également à confirmer l'âge où les mécanismes d’intégration audiovisuelle, d’une part, commencent à fonctionner de façon similaire aux adultes et, d’autre part, atteignent leur pleine maturité. Pour ce faire, nous avons mené une étude expérimentale transversale sur un vaste échantillon composé de 121 participants neurotypiques en utilisant l’électrophysiologie à haute densité, plus sécifiquement par le biais d’analyses temps-fréquence. Notre étude démontre la présence de précurseurs de l’intégration audiovisuelle dès l’âge de 2 ans. De plus, nous observons que les jeunes de 11-14 ans commencent à intégrer ces informations de façon similaire aux adultes, mais que les mécanismes d’intégration audiovisuelle atteignent leur pleine maturité tardivement au cours de l’adolescence soit entre les âges de 15 et 17 ans. Cette étude appuie la littérature quant à l’émergence progressive des capacités à intégrer les informations audiovisuelles, permet de documenter la progression développementale de ces capacités et répond à l’absence de littérature sur les processus neuronaux de l’intégration audiovisuelle chez le nourrisson et l’enfant d’âge préscolaire. Dans l’ensemble, cette thèse offre une meilleure compréhension du développement neurotypique des mécanismes d’intégration audiovisuelle et fournit un point de comparaison pour étudier ces processus auprès d’enfants présentant des troubles neurodéveloppementaux souvent accompagnés de déficits sensoriels., An abundant litterature documents the benefits associated to multisensory integration in adults as well as brain mechanisms underlying these skills. However, numerous questions regarding the development of multisensory integration during childhood remain unanswered and there is no consensus among animal data in addition to behavioral, electrophysiological and neuroimaging studies conducted in humans wether these skills are innate or acquired. The first objective of this thesis is to review the literature on the development of multisensory integration capacities. This review, which will constitute the first article of this thesis, presents neuronal and behavioral studies in favour of the nature or nurture character of multisensory integration mechanisms. This review suggests that the capacity to detect and form multisensory associations begins very early in development, but that the ability to integrate multisensory information in an optimal manner is a progressive process that continues to develop over childhood and adolescence. This work has also allowed us to better target the gaps in the existing literature related to the neuronal development of integration capacities, with special emphasis on the integration of non linguistic audiovisual information. Thus, to date no electrophysiological study has yet address the developmental progression of audiovisual integration capacities in infants and preschool children. This ascertainment has justified the conduct of the experimental study presented in the second article with the aim of characterizing the neurotypical developmental progression of non linguistic audiovisual information integration mecanisms as early as 3 months of age to adulthood. This research is also aimed at confirming the age when audiovisual integration mechanisms, on the one hand, begin to operate in a similar fashion than adults and, on the other hand, reach their full maturity. For these purposes, we have conducted an experimental iv study. Here, we undertook a cross-sectional experimental investigation on a large cohort of 121 neurotypical individuals using high-density electrophysiology more specifically through time-frequency analysis. Our study revealed the presence of precursors of audiovisual integration in children as young as two years of age. Moreover, our results indicate that 11- to 14-year-old adolescents start to integrate this information in an adult-like manner, but that audiovisual integration mechanisms reach their full maturity late throughout adolescence between the age of 15 and 17 years. This study supports the literature regarding the progressive emergence of the capacities to integrate audiovisual information, documents the developmental progression of these capacities and answers the absence of literature on the neuronal processes of audiovisual integration in infants and preschool children. Overall, this thesis provides a better understanding of the development of audiovisual integration mechanisms and provides a benchmark to investigate these processes in children with neurodevelopmental disorders often accompanied with sensory impairments.

Mammals, including rodents show a broad range of defensive behaviors as a mean of coping with threatful stimuli including freezing and avoidance behaviors. Several studies emphasized the role of the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) in encoding the acquisition as well as the expression of freezing behavior. However the role of this structure in processing avoidance behavior and the contribution of distinct prefrontal circuits to both freezing and avoidance responses are largely unknown. To further investigate the role of dmPFC circuits in encoding passive and active fear-coping strategies, we developed in the laboratory a novel behavioral paradigm in which a mouse has the possibility to either passively freeze to an aversive stimulus or to actively avoid it as a function of contextual contingencies. Using this behavioral paradigm we investigated whether the same circuits mediate freezing and avoidance behaviors or if distinct neuronal circuits are involved. To address this question, we used a combination of behavioral, neuronal tracing, immunochemistry, single unit and patch clamp recordings and optogenetic approaches. Our results indicate that (i) dmPFC and dorsolateral and lateral periaqueductal grey (dl/lPAG) sub-regions are activated during avoidance behavior, (ii) a subpopulation of dmPFC neurons encode avoidance but not freezing behavior, (iii) this neuronal population project to the dl/lPAG, (iv) the optogenetic activation or inhibition of this pathway promoted and blocked the acquisition of conditioned avoidance and (v) avoidance learning was associated with the development of plasticity at dmPFC to dl/lPAG synapses. Together, these data demonstrate for the first time that activity-dependent plasticity in a subpopulation of dmPFC cells projecting to the dl/lPAG pathway controls avoidance learning., Les mammifères, comme par exemple les rongeurs, soumis à des expériences aversives présentent des réponses comportementales de peur caractéristiques notamment une réponse d'immobilisation (freezing) ou d'évitement. Alors que le rôle du cortex préfrontal dorso-médian (CPFdm) dans l’acquisition ainsi que l’expression du freezing a déjà été expérimentalement établi, son implication dans l’encodage des réponses d’évitement de peur ainsi que l’interaction entre les circuits neuronaux préfrontaux impliqués dans le freezing et/ou l’évitement restent mal compris. Afin de répondre à ces questions, nous avons développé au laboratoire un paradigme expérimental permettant à une souris d’acquérir et d’exprimer le freezing ou l’évitement lors de la présentation d'un même stimulus aversif et ceci en fonction du contexte environnant. Ainsi, nous avons pu déterminer si les mêmes circuits neuronaux dans le cortex préfrontal dorso-médian encodent les deux réponses de peur, le freezing et l’évitement. Nous avons mis en oeuvre au cours de ce travail des approches comportementales, de traçage neuroanatomique, d'immunohistochimie, d'enregistrements extracellulaires in vivo et intracellulaires in vitro ainsi que des approches optogénétiques. Nos résultats indiquent que (i) le CPFdm et les régions dorsales de la substance grise périaqueducale sont activés pendant le comportement d'évitement, (ii) une sous population de neurones du CPFdm encode le comportement d'évitement mais pas le freezing, (iii) cette population neuronale projette sur le dl/lPAG, (iv) l'activation et l'inhibition optogénétique de cette projection induit et bloque l'apprentissage de l'évitement, respectivement et (v) l'apprentissage de l'évitement est associé à la mise en place d'une plasticité des afférences préfrontales sur le dl/lPAG. Dans leur ensemble ces résultats démontrent pour la première fois que la plasticité dépendante de l'activité des neurones du CPFdm projettant sur le dl/lPAG contrôle l'apprentissage de l'évitement de peur.