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The observed and predicted effects of global warming make critical the studies on thermal biology of living organisms. Temperature is indeed known to influence almost all parameters of ectotherms such as insects. This thesis on thermal biology of the crop pest Spodoptera littoralis is based on the experimental study of key aspects linked to insecticides effects, fitness parameters and olfactory sensitivity. Methodological and conceptual contributions were made by this work A first contribution was to show that the negative effect of high temperatures on fitness is often underestimated by studies using constant temperatures. A second contribution showed the benefit to test reaction norms among families in ecotoxicology. A third contribution was to show the importance of considering body mass for studies on responses to temperature and insecticides. The thesis had also three important conceptual contributions. An influence of temperature on insecticides toxicity was showed, but it interacted with transgenerational effects. The magnitude of daily temperature fluctuation influenced also insecticides toxicity. Finally, developmental temperature influenced olfactory sensitivity of adult males, effect that depended on male body mass. To conclude, all the parameters studied in S. littoralis were sensitive to temperature but in a more complex way than usually predicted in literature., Les effets observés et prédits du réchauffement climatique placent les études sur la biologie thermique au cœur des travaux sur le vivant. La température est en effet connue pour influencer quasiment tous les paramètres des ectothermes tels que les insectes. Cette thèse sur la biologie thermique du ravageur de culture Spodoptera littoralis est basée sur l’étude expérimentale d’aspects clefs touchant aux effets d’insecticides, aux paramètres de valeur sélective et à la sensibilité olfactive. Les apports de ce travail ont été méthodologiques et conceptuels. Une première contribution méthodologique a été de montrer que l’effet négatif de températures élevées sur la valeur sélective est souvent sous-estimé par l’étude de températures constantes. Une seconde contribution a été de montrer l’intérêt de tester des normes de réaction inter-familiales en écotoxicologie. Une troisième contribution a été d’illustrer l’importance de prendre en compte la masse corporelle pour l’étude des réponses à la température et aux insecticides. La thèse a également eu trois apports conceptuels d’importance. Une influence de la température sur la toxicité d’insecticides a été montrée, mais elle a interagi avec des effets transgénérationnels. L’ampleur de la fluctuation journalière de température a également eu un impact sur la toxicité d’insecticides. Enfin, la température de développement a affecté la sensibilité olfactive de mâles adultes, effet qui a été dépendant de leur masse corporelle. En conclusion, tous les paramètres étudiés de S. littoralis ont été sensibles à la température mais de façon plus complexe que généralement attendu dans la littérature.

20 à 57 % des victimes d'un accident vasculaire cérébral (AVC) sont diagnostiqués aves des déficits visuels qui réduisent considérablement leur qualité de vie. Parmi les cas extrêmes de déficits visuels, nous retrouvons les cécités corticales (CC) qui se manifestent lorsque la région visuelle primaire (V1) est atteinte. Jusqu'à présent, il n'existe aucune approche permettant d'induire la restauration visuelle des fonctions et, dans la plupart des cas, la plasticité est insuffisante pour permettre une récupération spontanée. Par conséquent, alors que la perte de la vue est considérée comme permanente, des fonctions inconscientes mais importantes, connues sous le nom de vision aveugle (blindsight), pourraient être utiles pour les stratégies de réhabilitation visuelle, ce qui suscite un vif intérêt dans le domaine des neurosciences cognitives. La vision aveugle est un phénomène rare qui dépeint une dissociation entre la performance et la conscience, principalement étudiée dans des études de cas. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons abordé plusieurs questions concernant notre compréhension de la vision aveugle. Comme nous le soutenons, une telle compréhension pourrait avoir une influence significative sur la réhabilitation clinique des patients souffrant de CC. Par conséquent, nous proposons une stratégie unique pour la réhabilitation visuelle qui utilise les principes du jeu vidéo pour cibler et potentialiser les mécanismes neuronaux dans le cadre de l'espace de travail neuronal global, qui est expliqué théoriquement dans l'étude 1 et décrit méthodologiquement dans l'étude 5. En d'autres termes, nous proposons que les études de cas, en conjonction avec des critères méthodologiques améliorés, puissent identifier les substrats neuronaux qui soutiennent la vision aveugle et inconsciente. Ainsi, le travail de cette thèse a fourni trois expériences empiriques (études 2, 3 et 4) en utilisant de nouveaux standards dans l'analyse électrophysiologique qui décrivent les cas de patients SJ présentant une cécité pour les scènes complexes naturelles affectives et ML présentant une cécité pour les stimuli de mouvement. Dans les études 2 et 3, nous avons donc sondé les substrats neuronaux sous-corticaux et corticaux soutenant la cécité affective de SJ en utilisant la MEG et nous avons comparé ces corrélats à sa perception consciente. L’étude 4 nous a permis de caractériser les substrats de la détection automatique des changements en l'absence de conscience visuelle, mesurée par la négativité de discordance (en anglais visual mismatch negativity : vMMN) chez ML et dans un groupe neurotypique. Nous concluons en proposant la vMMN comme biomarqueur neuronal du traitement inconscient dans la vision normale et altérée indépendante des évaluations comportementales. Grâce à ces procédures, nous avons pu aborder certains débats ouverts dans la littérature sur la vision aveugle et sonder l'existence de voies neurales secondaires soutenant le comportement inconscient. En conclusion, cette thèse propose de combiner les perspectives empiriques et cliniques en utilisant des avancées méthodologiques et de nouvelles méthodes pour comprendre et cibler les substrats neurophysiologiques sous-jacents à la vision aveugle. Il est important de noter que le cadre offert par cette thèse de doctorat pourrait aider les études futures à construire des outils thérapeutiques ciblés efficaces et des stratégies de réhabilitation multimodale., 20 to 57% of victims of a cerebrovascular accident (CVA) develop visual deficits that considerably reduce their quality of life. Among the extreme cases of visual deficits, we find cortical blindness (CC) which manifests when the primary visual region (V1) is affected. Until now, there is no approach that induces restoration of visual function and in most cases, plasticity is insufficient to allow spontaneous recovery. Therefore, while sight loss is considered permanent, unconscious yet important functions, known as blindsight, could be of use for visual rehabilitation strategies raising strong interest in cognitive neurosciences. Blindsight is a rare phenomenon that portrays a dissociation between performance and consciousness mainly investigated in case reports. In the first chapter of this thesis, we’ve addressed multiple issues about our comprehension of blindsight and conscious perception. As we argue, such understanding might have a significant influence on clinical rehabilitation patients suffering from CB. Therefore, we propose a unique strategy for visual rehabilitation that uses video game principles to target and potentiate neural mechanisms within the global neuronal workspace framework, which is theoretically explained in study 1 and methodologically described in study 5. In other words, we propose that case reports, in conjunction with improved methodological criteria, might identify the neural substrates that support blindsight and unconscious processing. Thus, the work in this Ph.D. work provided three empirical experiments (studies 2, 3, and 4) that used new standards in electrophysiological analyses as they describe the cases of patients SJ presenting blindsight for affective natural complex scenes and ML presenting blindsight for motion stimuli. In studies 2 and 3, we probed the subcortical and cortical neural substrates supporting SJ’s affective blindsight using MEG as we compared these unconscious correlates to his conscious perception. Study 4 characterizes the substrates of automatic detection of changes in the absence of visual awareness as measured by the visual mismatch negativity (vMMN) in ML and a neurotypical group. We conclude by proposing the vMMN as a neural biomarker of unconscious processing in normal and altered vision independent of behavioral assessments. As a result of these procedures, we were able to address certain open debates in the blindsight literature and probe the existence of secondary neural pathways supporting unconscious behavior. In conclusion, this thesis proposes to combine empirical and clinical perspectives by using methodological advances and novel methods to understand and target the neurophysiological substrates underlying blindsight. Importantly, the framework offered by this doctoral dissertation might help future studies build efficient targeted therapeutic tools and multimodal rehabilitation training.

L‘hippocampe (HP) peut être divisé en sous-régions distinctes. L’hippocampe dorsal (HPd) est important pour la mémoire spatiale et la navigation, alors que l’hippocampe ventral (HPv) est surtout impliqué dans l’anxiété. Le rythme thêta (5-12Hz) est un des rythmes de l’HP, présent durant l’exploration et le sommeil paradoxal. Il est impliqué dans l’apprentissage, la mémoire et l’anxiété. Le rythme thêta de l'HP est modulé par de nombreuses structures, dont les neurones sérotoninergiques (5-HT) du raphé, un noyau contenant plusieurs populations neuronales et avec de vastes projections. Plusieurs études pharmacologiques et de lésions démontrent un effet désynchronisateur du RM sur le rythme thêta. Les études pharmacologiques et de lésions ont le désavantage d’être peu précises temporellement, et peuvent permettre des mécanismes de compensation ou l’altération des circuits. Le rôle précis des neurones 5-HT dans la modulation du rythme thêta reste donc à établir. L’hypothèse de mon travail de maîtrise est que les neurones 5-HT du RM affectent les propriétés des rythmes de l’HP. Nous avons combiné des enregistrements de potentiel de champ local dans l’HPv et l’HPd, avec l’activation des neurones 5-HT du RM par optogénétique. Cette activation a été faite lors du sommeil lent, du sommeil paradoxal, ainsi que lors de l’exposition à un environnement nouveau. Dans un second temps, pour tenter d’établir le rôle spécifique des neurones 5-HT envoyant des projections directes à l’HP dans la modulation de l’activité hippocampique, nous avons isolé la voie 5-HT raphé-HP et l’avons activé par optogénétique pendant le sommeil lent et paradoxal. Nous démontrons que l’activation des neurones 5-HT du RM diminue la fréquence des rythmes de l’HP pendant le sommeil lent, paradoxal, et pendant l’immobilité dans un environnement nouveau. Nous observons lors de l’activation pendant le sommeil lent une augmentation dans l’HPd de la puissance, une mesure reflétant l’amplitude des oscillations, et une diminution dans l’HPv. L’activation des neurones 5-HT projetant à l’HP donne des résultats préliminaires similaires. Nos données démontrent une modulation des rythmes de l’HP par les neurones 5-HT du raphé., The hippocampus can be divided into two distinct subregions. The dorsal hippocampus is important for spatial memory and navigation, where the ventral hippocampus is implicated in anxiety. Theta rhythms (6-12Hz) are one of many hippocampal rhythms and are present during exploration and rapid eye movement (REM) sleep. They have been implicated in learning, memory and anxiety. Hippocampal theta rhythms are modulated by many structures, including the serotonergic (5-HT) neurons of the raphe, a nuclei with multiple neuronal population and vast projections. Many lesions or pharmacological studies have shown the median raphe to have a desynchronizing effect on theta rhythms. However, lesion and pharmacological studies have poor temporal precision, and the sustained activation can create compensatory mechanisms or circuits alterations. The precise role of 5-HT neurons in theta rhythm modulation remains to be established. My master’s hypothesis was that serotonergic median raphe neurons alter hippocampal rhythms properties. We combined electrophysiological recordings of the dorsal and ventral hippocampus local field potential with optogenetic stimulation of serotonergic median raphe neurons. This activation was done during slow wave sleep, REM sleep and during the exploration of a novel environment. In a second phase, to establish the role of 5-HT neurons directly projecting to the HP in hippocampal rhythm modulation, we isolated the 5-HT raphe-HP pathway and used optogenetic activations during REM and slow wave sleep. We demonstrated that 5-HT median raphe neurons activation decreases hippocampal rhythm frequency during slow wave sleep, REM sleep, and during immobility in a novel arena. We also observed that 5-HT median raphe neurons activation caused an increase in power, a mesure of rhythm amplitude, in the dorsal hippocampus, and a decrease in power in the ventral hippocampus. The activation of 5-HT neurons projecting to the hippocampus had similar preliminary results. We therefore demonstrated the modulation of hippocampal rhythms by the serotonergic neurons of the median raphe.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative caractérisée par une dégénérescence rapide du premier et du deuxième motoneurone menant à une atrophie corticale atteignant initialement les aires motrices pré-centrales. Récemment, les neurofilaments à chaînes légères (NfL) ont prouvé qu’ils pouvaient être un biomarqueur robuste tant sur le plan diagnostique et pronostique avec une grande spécificité dans la SLA. L’association entre NfL, les scores neuroradiologiques sur les IRM cérébrales ainsi que la neurodégénérescence corticale est peu étudiée. Le but de l’étude était d’explorer le rôle des mesures de NfL dans le sérum et dans le liquide cérébrospinal (LCS) comme marqueurs putatifs de neurodégénérescence dans les aires motrices précentrales, attestée à la fois par scoring neuroradiologique et les scores cliniques d’incapacité propres à la SLA. Nous avons inclus 31 patients SLA ayant passé des IRM à 3T (n = 20) et 7T (n = 11) avec mesures de NfL dans le sérum (n = 25) ou dans le LCS (n = 16). Une évaluation des IRM en aveugle fut réalisée par des neuroradiologues entraînés et l’association puis l’interaction entre épaisseur corticale, les taux de NfL, l’atteinte électrophysiologique et les scores cliniques furent analysées. Nous avons trouvé des taux plus importants de NfL dans le sérum chez les patients avec hypersignaux FLAIR au sein du tractus corticospinal (p = 0.034) ainsi que plus d’atrophie cérébrale globale (p-value = 0.012). Des analyses quantitatives ont également montré une association significative entre diminution de l’épaisseur corticale et atteinte motrice bulbaire et des membres supérieurs avec des correspondances corticales attendues au sein de l’homonculus. Enfin une interaction significative a été observée entre épaisseur corticale, taux de NfL et MEP ratios pour le membre supérieur droit (FDR p < 0.05). Les anomalies qualitatives à l’IRM semblaient indiquer des taux de NfL plus élevés dans le sérum et pourraient présenter un intérêt pronostique jusqu’ici sous-estimé. En définitive le taux de NfL dans le sérum semble être un marqueur important reliant symptômes cliniques et perte neuronale manifeste comme attestée par la diminution de l’épaisseur corticale.Conclusion : notre étude a mis en évidence l’avantage de l’usage d’une analyse radiologique qualitative conjointe à la mesure de l’épaisseur corticale en IRM dans la Sclérose Latérale Amyotrophique. De plus, nous avons démontré l’utilité de l’association de marqueurs biologiques non invasifs tels que les neurofilaments à chaîne légère dans le sérum avec l’évaluation clinique sectorisée des signes moteurs ainsi que l’IRM pour amener une cartographie détaillée de la dégénérescence neuronale. Cela marque une avancée dans la compréhension de la physiopathologie de cette maladie et assied davantage l’utilité d’une évaluation multimodale standardisée (Wirth et al., 2018) à la fois sur le plan diagnostique et pronostique.

There has been a great deal of interest in developing 3-dimensional in vitro brain models or brain organoids that accurately replicate the in vivo architecture and functionality of brain tissue, which is limited in traditional two-dimensional (2D) cell-culture models. Although electrophysiological recordings through the planar MicroElectrodes Arrays (MEAs) are a common method of evaluating neuronal function of the 3D structures, the main limitation of this approach is that only surface measurements are possible and 3D data are not accessible, leading to inaccurate measurements. Such capability is critically important in the accurate evaluation of neuronal function in 3D cell structure models. During this PhD, we first have addressed this issue by developing a new integrated platform for measuring the neuronal activity of 3D in vitro cultures, leveraging knowledge from implantable in vivo devices developed by our group. The setup device is based on an integrated implant based on Parylene C, a flexible and biocompatible polymer, on a planar MEA glass chip that can capture network-depth electrophysiology in a 3D in vitro neural matrix. Standard microelectronic processes such as photolithography and plasma etching, usually involved in microsystems fabrication, have been used for the design of the new 3D platform. The use of the micrometer electrodes with a diameter ranging from 20 to 40 microm, provides more localized recordings at the single cell level. However, as the electrode dimensions decrease, the impedance increases affecting the quality of signal recordings. Here, we used the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythio-phene):poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS) to lower the impedance and obtain a better signal-to-noise ratio for neuron recording. Rat cortical neurons were then seeded onto the 3D device, enabling growth of suspended cells in the matrix and the formation and maturation of a neural network around the 3D parylene probe. The device supported the growth of functional neurons in 3D with action potential (spike) activity recorded over 48 days in vitro. In a second part, our work focused of monitoring the metabolic activity of neural cells by measuring the pH in the extracellular environment. We developed a microelectrode array with recording sites capable of measuring pH from nearby cells. The electrode material consisted of electrochemical deposited iridium oxide (IrOx), previously shown in the literature to be sensitive to pH. The electrochemical deposition of IrOx, has been performed through three different electrochemical routes on gold electrodes on a glass substrate. These electrodes have been fully characterized both at a macroscopic and microscopic scale. The pH electrodes exhibit good pH sensitivity in the pH range of 2-12, approaching the value of 74 mV/pH. The electrodes typically show potential drift (long-term stability), leading to inaccuracy of pH detection. We discussed the reason caused the potential drift of the IrOx electrode, the response mechanisms in saline solutions, and finally the electrode/solution interface response of the IrOx electrode was established. In conclusion, the technology described here, is an important step in facilitating noninvasive electrophysiological characterization of three-dimensional in vitro models.; Les modèles cerveaux in vitro ou les organoïdes cérébraux présentent un grand intérêt pour répliquer avec précision l'architecture et les fonctionnalités d'un tissu cérébral in vivo, ce dont les cultures cellulaires bidimensionnelle (2D) ne peuvent pas reproduire. Bien que les enregistrements électrophysiologiques à travers le réseau planaire des microélectrodes (MEA) soient une méthode courante pour évaluer l'activité neuronale d'une structure cellulaire 3D. La principale limite de cette approche réside sur le fait que seulement des mesures surfaciques sont prises en compte alors que les mesures spatiales (3D) restent inaccessibles, conduisant ainsi à des mesures et à une interprétation des données incomplète. En effet, aucun système ne permet encore un échantillonnage 3D des activités électriques neuronales. Au cours de cette thèse, nous avons conçu et fabriqué un micro-dispositif qui permet d'enregistrer l'activité électrique en 3D des cultures neuronales. Cette nouvelle stratégie technologique se présente sous la forme d'un couplage de deux micro-dispositifs : une MEA planaire afin de recueillir l'activité électrique sur un plan, et d'un implant flexible à base de Parylene C pour un échantillonnage spatial en profondeur du tissu. Ce choix s'est notamment décidé parce que nous avons acquis au cours de précédentes thèses au LAAS une méthodologie de fabrication de ces deux systèmes. Divers procédés de la microélectronique, comme la photolithographie et la gravure plasma, utilisés communément pour le développement de microsystèmes, ont été utilisés pour la conception du micro-dispositif 3D. Après le procédé de fabrication, nous avons focalisé notre étude sur les performances électriques du dispositif. L'utilisation d'électrodes micrométriques, avec un diamètre de 20 à 40 microm, permet de localiser les zones d'enregistrement à l'échelle du neurone unique. Cependant, la réduction de la taille des électrodes conduit à une augmentation de l'impédance ce qui dégrade la qualité d'enregistrement des signaux neuronaux. Ici, un polymère conducteur, le poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS), a été utilisé pour améliorer les caractéristiques électriques d'enregistrement d'électrodes de petites dimensions et obtenir un meilleur rapport signal sur bruit durant des enregistrements neuronaux. Des cultures de neurones de rongeurs ont été réalisées sur cette plateforme 3D et une activité électrique spontanée (potentiels d'action) a pu être enregistrée pendant 48 jours. Dans la seconde partie de cette thèse, nos travaux ont porté sur le suivi de l'activité métabolique dans le milieu extracellulaire. Nous avons choisi d'étudier l'intégration d'un capteur de pH dans le dispositif à matrice de microélectrodes. En effet, La possibilité de suivre ce paramètre dès les premiers stades du procédé biologique d'une culture neuronale 3D représente un avantage considérable pour un développement de tissu nerveux in vitro plus pertinent. Pour le capteur, nous avons développé une couche sensible au pH à base d'oxyde d'iridium (IrOx) électrodéposé sur or. L'influence de différents paramètres (méthode d'électrodéposition, épaisseur et nature du substrat) sur la réponse au pH de ces couches a été étudiée. Les capteurs développés présentent une bonne sensibilité au pH dans la plage de pH de 2-12, approchant la valeur de 74 mV/pH. Les tests de stabilité à long terme ont montré une dérive potentielle des micro capteurs, entraînant une imprécision de la détection du pH à long terme. En conclusion, les systèmes d'enregistrement 3D de l'activité électrique neuronale conçus au cours de cette thèse présentent des caractéristiques prometteuses pour l'échantillonnage 3D des modèles de cultures in vitro.

Cette étude s’intéresse au lien entre les dynamiques cérébrales et les capacités cognitives, cette problématique a déjà été explorée auparavant en imagerie cérébrale, notamment à l’aide de tâches effectuées pendant l’imagerie. Cependant la caractérisation de l’activité spontanée a principalement été faite soit avec une faible précision spatiale (capteur EEG/MEG), soit en IRMf qui a une faible résolution temporelle. L’objectif de cette thèse est de caractériser l’activité spontanée au repos au niveau cortical associée à différents processus cognitifs et leur performance. Le second chapitre cherche à établir les corrélats neuronaux de la performance de la mémoire au repos à l’aide des puissances spectrales localisées au niveau des sources corticales. Le troisième chapitre cherche à répliquer les méthodes utilisées dans l’article 1 avec les mêmes participants, mais dans un autre domaine cognitif afin d’établir les corrélats neuronaux de la fluence verbale ainsi que de discriminer une composante verbale et exécutive. Ces deux composantes ont été mises en évidence en utilisant une factorisation avec un test purement exécutif (Trail making test- condition 4) et un autre purement verbal (richesse du vocabulaire). Dans le quatrième chapitre, nous répliquons encore la méthode de l’article 1 avec les mêmes sujets, mais sur un test d’apprentissage verbal. Lors de l’apprentissage verbal, deux stratégies d’apprentissage (sériel et sémantique) possibles sont utilisées de manière concurrente, nous avons cherché à établir si des différences comportementales se traduisaient par des patrons d’activation différents. Dans le cinquième chapitre, nous avons cherché à établir des différences fonctionnelles entre les survivants de la leucémie et des sujets contrôles, puis à établir un lien entre la neurotoxicité et le déficit cognitif rencontré chez cette population, finalement nous avons établi un modèle intégrant neurotoxicité, performance cognitive et marqueur neurophysiologique fonctionnel cérébral. Cette recherche aura approfondi les connaissances sur l’état de repos et principalement fourni les premiers travaux qui mettent en lien l’activité cérébrale spontanée au repos au niveau des sources corticales avec plusieurs tests neuropsychologiques comportementaux. Les résultats ont amené des patrons d’activation spatio-fréquentielle différents, démontrant des spécificités reliées à certains tests comportementaux ou des traitements de l’information (sériel ou sémantique). Finalement les travaux sur les survivants de la leucémie ont montré que l’état de repos pouvait caractériser le fonctionnement des déficits cognitifs à long terme et être un marqueur de remédiation pour de futurs traitements., This study is interested in the link between brain dynamics and cognitive abilities. This problem has already been explored before in brain imaging, notably with the help of task performed during imaging. However, the characterization of spontaneous activity has mainly been done either with weak spatial resolution (EEG/MEG sensor) or in fMRI which has a low temporal resolution. The objective of this thesis is to characterize the spontaneous activity at rest at the cortical level associated with different cognitive processes and their performance. The second chapter seeks to establish the neural correlates of resting memory performance using spectral powers localized at cortical sources. The third chapter seeks to replicate the methods used in article 1 with the same participants but in another cognitive domain in order to establish the neural correlates of verbal fluency as well as to discriminate a verbal and an executive component. These two components were highlighted using a factorization with a purely executive test (Trail making test-condition 4) and another purely verbal one (vocabulary richness). In the fourth chapter, we replicate the method of article 1 with the same subjects, but on a verbal learning test. During verbal learning, two possible learning strategies (serial and semantic) are used concurrently, we sought to establish whether behavioural differences translate into different activation patterns. In the fifth chapter, we sought to establish functional differences between leukemia survivors and control subjects, then to search for a link between neurotoxicity and the cognitive deficit encountered in this population; finally we established a model integrating neurotoxicity, cognitive performance and functional neurophysiological brain markers. This research will have deepened the knowledge on the resting state and mainly provided the first works that link the spontaneous brain activity at rest at the level of cortical sources with several behavioural neuropsychological tests. The results led to different spatio-frequential activation patterns, showing specificities related to certain behavioural tests or information processing (serial or semantic). Finally, work on leukemia survivors has shown that resting states could characterize the functioning of long-term cognitive deficits and be a remediation marker for future treatments.

My thesis project focuses on the study of impulse control disorders (ICD) induced after treatment with dopaminergic agonists in the context of Parkinson’s disease (PD). Indeed, this pharmacological strategy allows a restoration of motor deficits of PD but generates these side effects after a few months to a few years of treatment. These studies investigate the impact of dopaminergic degeneration of the nigrostriatal pathway and chronic pramipexole treatment (dopaminergic agonist D3/D2) on different behaviours. Thus, the first axis of my thesis project is focused on the study of cognitive flexibility in a rat model of PD and highlighted an individual susceptibility as for the deleterious effect of dopaminergic degeneration and pramipexole on this executive function. Flexible animals are the most impaired. In addition, there is no IDC animal model which would be common, reproducible and easy to set up. Then, a second axis of my thesis project has been to develop a model of ICD, based on the study of different behavioural tests, spontaneous (food hoarding) or operant compulsive behaviour (Post Training Signal Attenuation task). We did not find any cumulative impact of dopaminergic degeneration and chronic pramipexole treatment in tests based on the study of animals’ natural behaviours. In contrast, an increase of the interaction with food pellets is induced by the pramipexole treatment, in sham and lesioned animals. The operant behavioural PTSA test turned out to be more discriminating. Indeed, the nigrostriatal denervation followed by a pramipexole treatment induce an increase of uncompleted trials during the extinction phase although this effect was modest. Then, the involvement of the orbitofrontal cortex in executive functions and its compromised engagement after nigrostriatal denervation and treatment led us to study the associative loop in the orbitofrontal cortex toward dorsomedian striatum pathway. Previous studies on motor loops highlighted synaptic plasticity deficits in a context of dyskinesias after treatment of PD and we wanted to draw a parallel with some possible alterations of synaptic plasticity on associative loops in a context of non-motor side effects (ICD) after dopaminergic treatment. Finally, the last axis of this project is based on the electrophysiological study of synaptic plasticity parameters in the orbitofrontal cortex and dorsomedian striatum pathway. This project allowed us to highlight an inversion of plasticity induced by nigrostriatal pathway degeneration and by pramipexole treatment while the combination of the two does not restore it. Our studies strengthened our knowledge of the pathophysiology of pramipexole induced ICD identifying individual risk factors such as the premorbid abilities on executive function. In fact, the premorbid abilities in cognitive flexibility would determine the impact of nigrostriatal lesion and pramipexole treatment. However, these results still need to be underpinned and the development of an animal model mimicking strongly the ICD remains a goal to reach. We have obtained different results on the study of spontaneous and operant behaviour respectively with an impact of pramipexole treatment only and by the combination effects of nigrostriatal lesion and pramipexole treatment. Moreover, our electrophysiological investigation highlights a similar effect of nigrostriatal lesion, pramipexole treatment and nigrostriatal lesion combined with pramipexole treatment on the associative loop mediated by the orbitofrontal cortex / dorsomedian striatum pathway and visualized by a synaptic plasticity deficit., Mon travail de thèse porte sur l’étude des troubles du contrôle des impulsions (TCI) induits après la prise de traitement aux agonistes dopaminergiques dans le cadre de la maladie de Parkinson (MP). Cette stratégie pharmacologique permet une restauration des déficits moteurs de la MP mais engendre ces effets secondaires après quelques mois à quelques années de traitements. Les études que j’ai menées avaient pour but d’explorer l’impact d’une dégénérescence dopaminergique de la voie nigrostriée et d’un traitement chronique au pramipexole (agoniste dopaminergique D3/D2) sur différents comportements. De ce fait, le premier axe de ma thèse est focalisé sur l’étude de la flexibilité cognitive dans un modèle de rat de MP. J’ai ainsi mis en évidence une susceptibilité individuelle quant à l’effet délétère de la dégénérescence dopaminergique et du pramipexole sur cette fonction exécutive, les animaux caractérisés comme flexibles étant les plus impactés. D’autre part, il n’existe pas de modèle de TCI courant, reproductible et facile à mettre en place. Le second axe de mon travail a donc été d’en générer un en se basant sur différents tests comportementaux, spontané (l’amassement de nourriture) ou opérant (le Post-Training Signal Attenuation). Nous n’avons pas mis en évidence d’impact cumulé de la dégénérescence dopaminergique et du traitement chronique au pramipexole dans le test d’amassement de nourriture. En revanche, une augmentation de l’interaction avec la nourriture est induite par le traitement, chez les individus contrôles et lésés. Le test opérant de PTSA s’est révélé plus discriminant. Effectivement, les animaux dénervés dans la voie nigrostriatale et sous traitement chronique au pramipexole sont ceux qui réalisent le plus d’essais non complétés dans la phase d’extinction du signal bien que cet effet soit modeste. Par la suite, l’implication du cortex orbitofrontal dans les fonctions exécutives et son désengagement après dénervation nigrostriatale et traitement au pramipexole nous a amené à étudier la boucle associative dans la voie cortex orbitofrontal vers le striatum dorsomédian. Des travaux antérieurs sur les boucles motrices ont mis en évidence des déficits de plasticité synaptique dans le cadre des dyskinésies et nous avons cherché à faire le parallèle avec de possibles altérations de la plasticité synaptique dans les boucles associatives dans le cadre des effets secondaires non moteurs que sont les TCI. Pour finir, ce dernier axe de ce travail s’est donc basé sur l’étude électrophysiologique des paramètres de plasticité synaptique dans la voie cortex orbitofrontal et striatum dorsomédian. Cette étude nous a permis de mettre en évidence une inversion de plasticité induite par la lésion de la voie nigrostriée ainsi que par le traitement au pramipexole tandis que la combinaison des deux ne restaure pas la plasticité synaptique normale. Nos travaux ont donc permis de renforcer nos connaissances sur la physiopathologie des effets secondaires non moteurs induits par le traitement au pramipexole en identifiant des facteurs de risques individuels comme le niveau prémorbide de fonctions exécutives. En effet, les performances prémorbides de flexibilité cognitive détermineraient l’impact de la lésion et du traitement. Cependant, ces résultats sont encore à étayer et le développement d’un modèle animal reproduisant les TCI observés chez les patients reste un objectif à atteindre. Nous avons effectivement obtenu des résultats différents sur l’étude des comportements spontanés et opérants avec respectivement des effets du pramipexole seul et des effets combinés de la lésion et du traitement. De plus, notre investigation électrophysiologique a permis de mettre en évidence un impact identique de la lésion, du pramipexole, et de la lésion combinée au traitement au pramipexole sur les boucles associatives médiée par la voie cortex orbitofrontal / striatum dorsomédian, visualisé par un défaut de plasticité synaptique.

My thesis project focuses on the study of impulse control disorders (ICD) induced after treatment with dopaminergic agonists in the context of Parkinson’s disease (PD). Indeed, this pharmacological strategy allows a restoration of motor deficits of PD but generates these side effects after a few months to a few years of treatment. These studies investigate the impact of dopaminergic degeneration of the nigrostriatal pathway and chronic pramipexole treatment (dopaminergic agonist D3/D2) on different behaviours. Thus, the first axis of my thesis project is focused on the study of cognitive flexibility in a rat model of PD and highlighted an individual susceptibility as for the deleterious effect of dopaminergic degeneration and pramipexole on this executive function. Flexible animals are the most impaired. In addition, there is no IDC animal model which would be common, reproducible and easy to set up. Then, a second axis of my thesis project has been to develop a model of ICD, based on the study of different behavioural tests, spontaneous (food hoarding) or operant compulsive behaviour (Post Training Signal Attenuation task). We did not find any cumulative impact of dopaminergic degeneration and chronic pramipexole treatment in tests based on the study of animals’ natural behaviours. In contrast, an increase of the interaction with food pellets is induced by the pramipexole treatment, in sham and lesioned animals. The operant behavioural PTSA test turned out to be more discriminating. Indeed, the nigrostriatal denervation followed by a pramipexole treatment induce an increase of uncompleted trials during the extinction phase although this effect was modest. Then, the involvement of the orbitofrontal cortex in executive functions and its compromised engagement after nigrostriatal denervation and treatment led us to study the associative loop in the orbitofrontal cortex toward dorsomedian striatum pathway. Previous studies on motor loops highlighted synaptic plasticity deficits in a context of dyskinesias after treatment of PD and we wanted to draw a parallel with some possible alterations of synaptic plasticity on associative loops in a context of non-motor side effects (ICD) after dopaminergic treatment. Finally, the last axis of this project is based on the electrophysiological study of synaptic plasticity parameters in the orbitofrontal cortex and dorsomedian striatum pathway. This project allowed us to highlight an inversion of plasticity induced by nigrostriatal pathway degeneration and by pramipexole treatment while the combination of the two does not restore it. Our studies strengthened our knowledge of the pathophysiology of pramipexole induced ICD identifying individual risk factors such as the premorbid abilities on executive function. In fact, the premorbid abilities in cognitive flexibility would determine the impact of nigrostriatal lesion and pramipexole treatment. However, these results still need to be underpinned and the development of an animal model mimicking strongly the ICD remains a goal to reach. We have obtained different results on the study of spontaneous and operant behaviour respectively with an impact of pramipexole treatment only and by the combination effects of nigrostriatal lesion and pramipexole treatment. Moreover, our electrophysiological investigation highlights a similar effect of nigrostriatal lesion, pramipexole treatment and nigrostriatal lesion combined with pramipexole treatment on the associative loop mediated by the orbitofrontal cortex / dorsomedian striatum pathway and visualized by a synaptic plasticity deficit., Mon travail de thèse porte sur l’étude des troubles du contrôle des impulsions (TCI) induits après la prise de traitement aux agonistes dopaminergiques dans le cadre de la maladie de Parkinson (MP). Cette stratégie pharmacologique permet une restauration des déficits moteurs de la MP mais engendre ces effets secondaires après quelques mois à quelques années de traitements. Les études que j’ai menées avaient pour but d’explorer l’impact d’une dégénérescence dopaminergique de la voie nigrostriée et d’un traitement chronique au pramipexole (agoniste dopaminergique D3/D2) sur différents comportements. De ce fait, le premier axe de ma thèse est focalisé sur l’étude de la flexibilité cognitive dans un modèle de rat de MP. J’ai ainsi mis en évidence une susceptibilité individuelle quant à l’effet délétère de la dégénérescence dopaminergique et du pramipexole sur cette fonction exécutive, les animaux caractérisés comme flexibles étant les plus impactés. D’autre part, il n’existe pas de modèle de TCI courant, reproductible et facile à mettre en place. Le second axe de mon travail a donc été d’en générer un en se basant sur différents tests comportementaux, spontané (l’amassement de nourriture) ou opérant (le Post-Training Signal Attenuation). Nous n’avons pas mis en évidence d’impact cumulé de la dégénérescence dopaminergique et du traitement chronique au pramipexole dans le test d’amassement de nourriture. En revanche, une augmentation de l’interaction avec la nourriture est induite par le traitement, chez les individus contrôles et lésés. Le test opérant de PTSA s’est révélé plus discriminant. Effectivement, les animaux dénervés dans la voie nigrostriatale et sous traitement chronique au pramipexole sont ceux qui réalisent le plus d’essais non complétés dans la phase d’extinction du signal bien que cet effet soit modeste. Par la suite, l’implication du cortex orbitofrontal dans les fonctions exécutives et son désengagement après dénervation nigrostriatale et traitement au pramipexole nous a amené à étudier la boucle associative dans la voie cortex orbitofrontal vers le striatum dorsomédian. Des travaux antérieurs sur les boucles motrices ont mis en évidence des déficits de plasticité synaptique dans le cadre des dyskinésies et nous avons cherché à faire le parallèle avec de possibles altérations de la plasticité synaptique dans les boucles associatives dans le cadre des effets secondaires non moteurs que sont les TCI. Pour finir, ce dernier axe de ce travail s’est donc basé sur l’étude électrophysiologique des paramètres de plasticité synaptique dans la voie cortex orbitofrontal et striatum dorsomédian. Cette étude nous a permis de mettre en évidence une inversion de plasticité induite par la lésion de la voie nigrostriée ainsi que par le traitement au pramipexole tandis que la combinaison des deux ne restaure pas la plasticité synaptique normale. Nos travaux ont donc permis de renforcer nos connaissances sur la physiopathologie des effets secondaires non moteurs induits par le traitement au pramipexole en identifiant des facteurs de risques individuels comme le niveau prémorbide de fonctions exécutives. En effet, les performances prémorbides de flexibilité cognitive détermineraient l’impact de la lésion et du traitement. Cependant, ces résultats sont encore à étayer et le développement d’un modèle animal reproduisant les TCI observés chez les patients reste un objectif à atteindre. Nous avons effectivement obtenu des résultats différents sur l’étude des comportements spontanés et opérants avec respectivement des effets du pramipexole seul et des effets combinés de la lésion et du traitement. De plus, notre investigation électrophysiologique a permis de mettre en évidence un impact identique de la lésion, du pramipexole, et de la lésion combinée au traitement au pramipexole sur les boucles associatives médiée par la voie cortex orbitofrontal / striatum dorsomédian, visualisé par un défaut de plasticité synaptique.

In neurons, cation-chloride cotransporters (CCCs), such as the potassium-chloride cotransporter type 2 (KCC2) and the sodium-potassium-chloride cotransporter type 1 (NKCC1), control intraneuronal chloride ion homeostasis and, subsequently, the efficiency and polarity of gamma-aminobutyric acid (GABA) synaptic signaling. In many neurological disorders, including epilepsy, reduced KCC2 expression or function may result in depolarizing and paradoxically excitatory GABA signaling that may then contribute to pathological activities and seizures. Compensating for the dysregulation of CCC function in the pathology therefore appears as a promising therapeutic strategy. Bumetanide, an antagonist of the NKCC1 transporter, failed to prevent acute neonatal seizures in clinical trials and instead induced side effects such as ototoxicity. Instead, two compounds - prochlorperazine (PCPZ) and CLP257 – recently identified from library screening as candidate KCC2 enhancers, appear to improve symptoms in several animal models of disorders associated with KCC2 suppression. However, their mode of action in cortical neurons and their therapeutic potential in epilepsy remain unknown or even controversial. During my thesis, I first compared the mode of action of these two compounds in rat hippocampal neurons and showed that both of them enhance KCC2 function. This effect was accompanied for CLP257 by a positive allosteric modulation of extrasynaptic GABAA receptors. Interestingly, both compounds reduce the lateral diffusion of KCC2 in the plasma membrane and increases its clustering, without altering its total or membrane expression or the phosphorylation level of its canonical residues. I demonstrated that both compounds effectively suppress spontaneous interictal-like discharges recorded in postoperative hippocampal tissue resected from intractable, mesial temporal lobe epilepsy (mTLE) patients. Furthermore, chronic administration of PCPZ reduced seizure onset and the frequency of epileptiform activities in a mouse model of mTLE. My results thus decipher the mode of action of two candidate KCC2 enhancers in hippocampal neurons and demonstrate for the first time their therapeutic potential in pharmacoresistant epilepsy., Dans les neurones, les co-transporteurs cation-chlorure (CCCs) tels que le co-transporteur potassium-chlorure de type 2 (KCC2) et le co-transporteur sodium-potassium-chlorure de type 1 (NKCC1), contrôlent l'homéostasie intraneuronale des ions chlorure et, par conséquent, l'efficacité et la polarité de la signalisation synaptique par l'acide gamma-aminobutyrique (GABA). Dans de nombreuses affections neurologiques dont l'épilepsie, une réduction de l'expression ou de la fonction de KCC2 peut conduire à une signalisation GABAergique dépolarisante et paradoxalement excitatrice, et ainsi contribuer à l’émergence d’activités pathologiques et de crises. Compenser la dérégulation de la fonction des CCCs dans la pathologie apparaît donc comme une stratégie thérapeutique prometteuse. Le bumétanide, un antagoniste du transporteur NKCC1, ne parvient pas à prévenir les crises néonatales aiguës lors d’essais cliniques et au contraire induit des effets secondaires tels qu’une ototoxicité. En revanche, deux composés – la prochlorperazine (PCPZ) et le CLP257 – récemment identifiés par criblage de banques de petites molécules et proposés comme potentialisateurs de KCC2, semblent améliorer les symptômes dans différents modèles animaux d’affections associées à une perte d’expression de KCC2. Cependant, leur mode d'action dans les neurones corticaux et leur potentiel thérapeutique dans l'épilepsie restent inconnus, voire controversés. Au cours de ma thèse, j’ai tout d'abord comparé le mode d'action de ces composés dans des neurones hippocampiques de rat et mis en évidence que tous deux améliorent la fonction de KCC2. Cet effet s'accompagne pour le CLP257 d'une modulation allostérique positive des récepteurs GABAA extrasynaptiques. De façon intéressante, ces deux composés réduisent la diffusion latérale de KCC2 à la membrane plasmique et augmentent l’agrégation du transporteur, sans modifier son expression totale ou membranaire, ni le niveau de phosphorylation de ses résidus canoniques. J’ai mis en évidence que ces deux composés suppriment efficacement les décharges spontanées de type interictal, enregistrées in vitro dans le tissu hippocampique postopératoire réséqué de patients souffrant d’épilepsie du lobe temporal (ELT). De plus, l'administration chronique de PCPZ permet de réduire l'apparition de crises et la fréquence des activités épileptiformes dans un modèle souris d'ELT. Mes résultats décryptent donc le mode d'action de deux candidats potentialisateurs de KCC2 dans des neurones hippocampiques et démontrent pour la première fois leur potentiel thérapeutique dans une épilepsie pharmacorésistante.

The proper action selection, initiation and execution of movement, orchestrated by the brain, is necessary for the survival of any organism. Such processes largely rely on the basal ganglia-thalamo-cortical loops. The striatum constitutes the main input nucleus of the basal ganglia and the acquisition of a behavioral repertoire has been associated with striatal plasticity. Thus, the striatum appears as a key structure for memory formation. The dorsal striatum is composed of two main anatomical-functional regions, the dorsomedial striatum (DMS) and the dorsolateral striatum (DLS), based on topographic cortical glutamatergic afferents. Two main glutamatergic inputs onto the striatum have been identified to convey striatal activity for action initiation and execution: corticostriatal (CS) and thalamostriatal (TS) inputs (mostly from the parafascicular nucleus (Pf)). The striatal-projecting neurons (the medium-sized spiny neurons, MSNs) act as coincidence detectors of cortical and thalamic activity. While extensive research addressed the contribution of CS projections, little is known about the role of TS projections. Therefore, characterizing the TS plasticity and its interactions with the CS plasticity is essential for a better understanding of the role of the striatum in procedural. In order to investigate the interaction of TS and CS plasticity at the level of a single MSN. We characterized input timing-dependent plasticity (ITDP) at CS and TS synapses in brain slices, and we explored supra- and sub-threshold regimes in ITDP protocols for the first time, as opposed to previous studies have focus only on subthreshold activities. We found that most combinations of activities induced LTP at both CS and TS synapses, with the exception of cases when supra-threshold thalamic activity preceded cortical activity. In these situations, LTD was observed, highlighting the crucial impact of synchronizing cortical and thalamic activities for the memory engram at striatal synapses. Next, we used the horizontal ladder set-up to develop a behavioral task that would involve the cortex and the Pf. To address this question, we performed electrophysiological recordings within the DLS while optogenetically activating TS and CS terminals. Therefore, we were able to record in vivo plasticity in mice engaged in procedural learning of a horizontal ladder and found CS-LTP of ChR2-evoked LFP upon learning on a rung pattern #1 (without modification of TS-evoked-LFP), whereas this plasticity was reversed upon novelty (sudden change for a rung pattern #2) to the profit of a TS-LTP. Finally, ex vivo occlusion experiment showed that CS and TS plasticity were engaged during motor learning and novelty, respectively. The ability of TS plasticity to override CS plasticity could enable flexible behavior, aiding the exit of an existing motor program in favor of a novel behavioral strategy. The results presented in this manuscript further extend our knowledge on the interplay between cortico-/thalamo-striatal plasticity and the striatal synaptic plasticity process involved in procedural memory and its reprogramming., La planification, l'initiation et l'exécution correcte des mouvements, orchestrées par le cerveau, sont nécessaires à la survie de tout organisme. De tels processus reposent sur les boucles cortex – thalamus-ganglion de la base. Le striatum constitue la principale entrée des ganglions de la base. L'acquisition d'habileté et d’automatismes cognitivo-moteurs ont été associés à la plasticité synaptique striatale. Ainsi, le striatum apparaît comme une structure clé dans l’encodage de la mémoire procédurale. Le striatum dorsal est composé de deux principales régions anatomiques-fonctionnelles, le striatum dorsomédial (DMS) et le striatum dorsolatéral (DLS), en fonction des afférences (anatomo-fonctionnelles) corticales reçues. Le striatum reçoit deux majeures entrées glutamatergiques : les entrées cortico-striatales (CS) et thalamo-striatales (TS) (principalement du noyau parafasciculaire (Pf)). Les neurones de sortie du striatum (les neurones épineux de taille moyenne, MSN) agissent comme des détecteurs de coïncidence des activités corticale et thalamique et appartiennent à deux voies trans-striatales anatomiques distinctes, la voie directe avec les D1-MSNs et la voie indirecte avec les D2-MSNs. Alors qu'un grand nombre de publications ont documenté la contribution des projections CS, le rôle des projections TS reste mal connu. Par conséquent, la caractérisation de la plasticité TS et de ses interactions avec la plasticité CS est essentielle pour une meilleure compréhension du rôle du striatum dans l'apprentissage procédural. Afin d'étudier l'interaction des plasticités TS et CS au niveau d'un MSN, nous avons caractérisé la plasticité de type input-timing-dependent plasticity (ITDP) au niveau des synapses CS et TS dans des tranches de cerveaux de souris en distinguant les D1- et D2-MSNs ; nous avons exploré pour la première fois les régimes supra- et sub-liminaires dans les paradigmes d’ITDP. Nous avons constaté que la plupart des combinaisons d'activités induisent une LTP aux synapses CS et TS, sauf lorsque l'activation supra-liminaire du Pf précède l'activité corticale. Dans ces situations, une LTD est observée dans les deux voies. Par la suite, nous avons utilisé la tâche comportementale de l’échelle horizontale pour développer une tâche qui implique le cortex et le Pf. Nous avons effectué des enregistrements électrophysiologiques dans le DLS tout en réalisant des stimulations optogénétiques des synapses TS et CS. Nous avons enregistré l’évolution des poids synaptiques CS et TS in vivo chez des souris engagées dans un apprentissage procédural sur l’échelle horizontale et nous avons constaté que le poids synaptique CS augmente lors de l'apprentissage du pattern #1 (sans modification au niveau TS), tandis que cette plasticité est inversée lorsque la souris est exposée à un changement de motif de l’échelle (changement soudain pour un pattern #2) au profit d'une augmentation du poids synaptique TS. Enfin, des expériences d'occlusion ex vivo indiquent que les plasticités CS et TS sont engagées lors de l'apprentissage procédural et de l’exposition à la nouveauté respectivement. La capacité de la plasticité TS à moduler la plasticité CS pourrait permettre un comportement flexible, en facilitant la sortie d'un programme moteur existant en faveur d'une nouvelle stratégie comportementale. Les résultats présentés dans ce manuscrit approfondissent nos connaissances sur l'interaction entre la plasticité cortico-/thalamo-striatale et les processus de plasticité synaptique striatale impliqués dans la mémoire procédurale et sa reprogrammation.

The heart is a spontaneously active organ whose contractile activity is dependent of a spontaneous intrinsic electrical activity, which refers to one of the fundamental cardiac properties: cardiac automaticity. The electrical signal is generated in the sino-atrial node tissue (SAN) and is then propagated throughout the heart, triggering cardiomyocytes contraction. Cardiac automaticity relies on the capacity of pacemaker sino-atrial node cells (SANC) to spontaneously depolarize (diastolic depolarization, DD) which brings membrane potential to the threshold of the sinoatrial action potential (AP). Complex and not entirely understood yet, diastolic depolarization results from a robust interplay of membrane ion channels activity (hyperpolarization-activated HCN4 channels, L-type Cav1.3 and T-type Cav3.1 calcium channels) and intracellular calcium dynamics with spontaneous local calcium releases (LCRs) from the sarcoplasmic reticulum via the ryanodine receptors (RyR). By triggering cyclic adenosine monophosphate/protein kinase A (cAMP/PKA) catecholaminergic stimulation of pacemaker activity by sympathetic autonomic nervous system accelerates the firing frequency of SANC.The objective of my PhD was to determine the role of L-type Cav1.3 calcium channels in the catecholaminergic regulation of SANC. Patch-clamp experiments on isolated mouse SANC showed that pharmacologic inhibition of Cav1.3 channels completely reversed the effects of adrenergic stimulation on the frequency. Imaging of intracellular calcium further revealed that LCRs synchronization under activation of adrenergic receptors was dependent of Cav1.3 channels activity. Hence, L-type Cav1.3 calcium channels seem to be the main mediator of the positive chronotropic response of pacemaker activity in mouse SANC., Le cœur est un organe autonome dont l’activité contractile est dépendante d’une activité électrique intrinsèque spontanée. Au niveau de l’oreillette droite se situe le nœud sinoatrial (NSA) au sein duquel une impulsion électrique spontanée est initiée puis propagée à l’ensemble du tissu cardiaque provoquant alors la contraction des cardiomyocytes. La clé de l’automaticité cardiaque réside dans le fait que les cellules sinusales (SANC) ou « pacemaker » sont capables de se dépolariser spontanément (dépolarisation diastolique, DD) ce qui amène progressivement leur potentiel de membrane jusqu’au seuil de déclenchement du potentiel d’action (PA) sinusal. Complexe et encore non entièrement comprise, la dépolarisation diastolique est due à une robuste interaction entre l’activation séquentielle de canaux ioniques de la membrane cellulaire (canaux s’ouvrant par hyperpolarisation HCN4, canaux calciques de type L Cav1.3 et de type T Cav3.1) et une dynamique calcique intracellulaire avec des relargages calciques spontanés (LCRs) diastoliques par le réticulum sarcoplasmique via les récepteurs à la ryanodine (RyR). En déclenchant la voie de signalisation adénosine monophosphate cyclique/protéine kinase A (AMPc/PKA) la régulation adrénergique par le système nerveux autonome sympathique permet d’accélérer la fréquence de dépolarisation des SANC.L’objectif de ma thèse était de déterminer le rôle des canaux calciques de type L Cav1.3 dans la régulation adrénergique des SANC. La technique de patch-clamp sur SANC isolées de souris a montré que l’inhibition pharmacologique des canaux Cav1.3 inversait complètement les effets de la stimulation adrénergique sur la fréquence de dépolarisation des SANC. Les expérimentations d’imagerie calcique ont permis de révéler que la synchronisation des LCRs sous stimulation adrénergique était dépendante des canaux Cav1.3. Ainsi, les canaux calciques de type L Cav1.3 semblent être les régulateurs majoritaires de la réponse chronotrope positive chez la souris.

Background: Anxiety disorders constitute the most prevalent subgroup of mental health conditions. While anxious individuals are more widely known as being socially withdrawn and shy, recent research highlights a rather non-prototypical image, one that is aggressive. The main goal of this event-related brain potentials (ERPs) study is to augment our knowledge of the neurophysiological responding of hostile attribution biases of anxious individuals to ambiguous situations. Methods: Using pre-collected data from a sample of 68 undergraduate and community-based adult participants, this study aims to explore the N400 deflection utilising Gagnon et al.’s (2016) Hostile Expectancy Violation Paradigm with anxious individuals, and whether the N400 deflection persists after controlling for aggression. Results: A more negative amplitude was observed in response to a critical word that mismatched rather than matched with the character’s expected hostile intention. Regression analyses revealed that anxiety scores negatively predicted the N400 following the mismatched expected hostile intention while controlling for reactive aggression suggesting that the violation of hostile expectancy about the intention behind an ambiguous provocative behavior is more pronounced among anxious participants. Conversely, in the hostile condition, the overall model was significant, although anxiety scores did not account for the overall effect, reactive aggression did. Conclusion: This study provides preliminary evidence that anxiety symptoms are uniquely related to hostile attribution bias independent of reactive aggression. Future research should aim to replicate these findings with a clinically diagnosed sample of individuals with anxiety disorders., Contexte : Les troubles anxieux constituent un sous-groupe le plus répandu dans les conditions de santé mentales. Malgré cette prévalence, ils ne reçoivent pas la même reconnaissance en raison des comorbidités, une étiologie inconnu et une manque de traitement spécifique. Récemment, la littérature scientifique s'est concentré sur la neuro-imageries de l`anxiété. Par contre, une compréhension plus complète sur comment l'électrophysiologie et le stress interagissent et mène aux symptômes de l’anxiété est requis. Méthodologie : À l'aide de données pré-recueillies auprès d'un échantillon de 68 participants, cette étude visait à étudier la déflexion N400 en utilisant le Paradigme de la Violation d'Espérance Hostile de Gagnon et al. (2016) chez les individus adultes présentant de l'anxiété. Résultats : dans la condition non-hostile, nous avons observez une déflection négative significative du N400 chez les individus qui ont un score de BIAH plus élevée, en contrôlant pour l’agressivité. Les analyses de régressions ont démontré une déflection négative du N400. En d’autres mots, les adultes qui ont plus d'anxiété étaient surpris suivant un contexte hostile et une intention non hostile car il s'attendait à une contexte hostile. Tandis que dans la condition hostile, le modèle global s’est avéré significatif, par contre l’agressivité réactive a tenu compte de l'effet global et n’ont pas les scores d’anxiétés. Conclusion : À notre connaissances, aucune articles scientifiques à explorer le BAIH avec des mesures électrophysiologique du cerveaux, comme preuve des influences des symptômes d'anxiété sur la cognition. Cette recherche à augmenter notre connaissance sur la présence du BAIH chez les adultes avec des symptômes d’anxiété en examinant des marqueurs électrophysiologique du cerveaux. Les implications et limites de l’étude sont également discutées. Reproduire ces résultats avec un échantillon cliniquement diagnostiqué de personnes souffrant de troubles anxieux, devrait donc être l'une des priorités de la recherche future.

Cette dernière décennie a vu un certain nombre d'avancées significatives en mathématiques, en apprentissage computationnel et en traitement de signal, qui n'ont pas encore été pleinement exploitées en neurosciences. En particulier, l'évaluation de la connectivité dans les réseaux neuronaux peut grandement bénéficier de ces travaux. Nous proposons ici d'exploiter ces outils pour combler partiellement le fossé considérable qui existe encore entre la recherche connectomique à grande échelle (largement centrée sur des mesures indirectes de l'activité cérébrale comme l'Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)) et les mesures physiologiques plus directes de l'activité cérébrale. Il est particulièrement important de combler ce fossé pour l'étude des propriétés physiologiques associées à divers états de conscience normaux et anormaux, notamment les troubles psychiatriques, le sommeil, l'anesthésie ou les états induits par les drogues. Les travaux récents sur l'induction d'états de conscience altérés par des agonistes non sélectifs de la sérotonine, tels que la psilocybine et le Diéthyllysergamide (LSD), en sont de bons exemples. Au cours des cinq dernières années, une résurgence rapide de la recherche sur la neurobiologie des tryptamines psychédéliques s'est produite, après une interruption d'un demi-siècle. Bien que ces substances présentent un grand potentiel pour éclairer des aspects jusqu'ici non interrogés du fonctionnement normal et anormal du cerveau, l'ampleur et le caractère inhabituel des changements qu'elles provoquent posent de sérieux défis aux chercheurs. La découverte de méthodes convaincantes et évolutives pour étudier ces données est d'une grande importance si nous voulons tirer parti de la fenêtre unique que ces substances atypiques offrent sur les aspects centraux de la conscience et des fonctions cérébrales anormales. Dans la présente thèse, nous résumons l'état actuel de la neuro-imagerie électrophysiologique en ce qui concerne l'étude des tryptamines psychédéliques, et nous démontrons un certain nombre de lacunes évidentes dans la recherche électrophysiologique actuelle sur les psychédéliques. Nous offrons également quelques modestes contributions méthodologiques au domaine. L'utilité de ces contributions est soutenue par quelques résultats empiriques intrigants, bien que préliminaires. Dans le premier chapitre, nous présentons l'histoire de la recherche neuroscientifique sur le LSD. Il a été rapporté que le LSD induit des déplacements de pics dans les spectres de puissance, en même temps que des diminutions de l'amplitude des pics. Le fait que ces effets soient liés entre eux et que la plupart des recherches menées jusqu'à présent n'aient pas cherché à les distinguer est uniformément négligé dans la littérature, ce qui, selon nous, peut conduire à de fausses interprétations. Le chapitre 2 examine certains des avantages plausibles ainsi que les obstacles sérieux à la recherche sur la connectivité du cerveau entier par magnétoencéphalographie (MEG), et propose plusieurs stratégies pour surmonter ces limites méthodologiques. Celles-ci comprennent des stratégies d'imagerie de source convaincantes, des développements nouveaux et récents dans la décomposition spectrale, des mesures de connectivité insensibles à la conduction volumique, et des implémentations évolutives de métriques de couplage interfréquence bien établies. Nous montrons que ces techniques peuvent être étendues à une grille corticale et sous-corticale de plus haute résolution que celle qui existe actuellement. Nous discutons également d'une mise en œuvre allégée de statistiques non paramétriques adaptées à ces données. Le troisième chapitre a pour but de démontrer l'efficacité de ces procédures, en montrant les résultats empiriques d'une étude de la connectivité du cerveau entier sous LSD par MEG. Le quatrième et dernier chapitre discute de ces résultats, ainsi que des précautions nécessaires et des orientations futures prometteuses pour ce type de recherche. Il propose des approches computationnelles supplémentaires qui pourraient étendre la portée de ces recherches et, plus généralement, de l'électrophysiologie du cerveau entier. Dans l'ensemble, le cadre méthodologique proposé dans ce travail surmonte les limitations endémiques précédentes, non seulement dans la recherche sur les psychédéliques, mais aussi dans la recherche électrophysiologique en général, et jette une lumière nouvelle sur sur les mécanismes centraux qui sous-tendent ces états de conscience anormaux, ainsi que sur les importantes précautions à prendre dans la recherche électrophysiologique., The past decade has seen a number of significant advances in mathematics, computational learning, and signal processing, which have yet to be deployed in neuroscience. In particular the assessment of connectivity in neural networks has much to gain from this work. Here we propose these tools be leveraged to partially bridge the considerable gap that still exists between large-scale connectomics research (largely centered around indirect measures of brain activity such as fMRI), and more direct, physiological measures of brain activity. Bridging this gap is especially important to the study of physiological properties associated with various normal and abnormal states of consciousness including Psychiatric conditions, sleep, anaesthesia or drug-induced states. Exemplary of such research, is recent work surrounding the induction of altered states of consciousness by non-selective serotonin agonists such as Psilocybin and LSD. During the past five years, a rapid resurgence of research into the neurobiology of Psychedelic tryptamines has transpired, following a half-century hiatus. While these substances hold great potential to illuminate hitherto uninterrogated aspects of normal and abnormal brain function, the scope and unusual character of the changes they illicit pose serious challenges to researchers. Uncovering cogent and scalable methods for investigating such data is a matter of great importance if we are to leverage the unique window such atypical substances provide into central aspects of consciousness and abnormal brain function. In the present thesis, we summarize the current state of electrophysiological neuroimaging as it pertains to the study of Psychedelic tryptamines, and demonstrate a number of clear shortcomings in current electrophysiological research on Psychedelics. We also offer some modest methodological contributions to the field. The utility of these contributions is supported by some intriguing, albeit preliminary, empirical findings. In the first chapter, we present the history of neuroscientific research on LSD. LSD has been reported to induce peak shifts in power spectra, alongside decreases in peak amplitude. The fact that these effects are inter-related and most research so far has not sought to disambiguate them is uniformly overlooked in the literature, which we believe may lead to false interpretations. Chapter Two discusses some of the plausible advantages as well as serious barriers to whole-brain connectivity research in MEG, proposing several strategies to overcome these methodological limitations. These include cogent source imaging strategies, novel and recent developments in spectral decomposition, connectivity measures insensitive to volume conduction, and scalable implementations of well-established cross-frequency coupling metrics. We show that these techniques can be extended to a higher resolution cortical and subcortical grid than previously shown. We also discuss a lightweight implementation of non-parametric statistics suitable to such data. Chapter Three serves to demonstrate the efficacy of these procedures, showing empirical results from a whole-brain study of connectivity under LSD in MEG. The fourth and final chapter discusses these results, as well as necessary precautions and promising future directions for this kind of research. It proposes additional computational approaches that might extend the scope of such research and whole-brain electrophysiology more generally. Taken together, the methodological framework proposed in this work overcomes previous limitations endemic not only in Psychedelics research, but electrophysiological research broadly, and sheds new light on central mechanisms underlying these abnormal states of consciousness, as well as important precautions in electrophysiological research.

Le trouble de l’odorat est un symptôme fréquent bien connu de la Maladie de Parkinson (MP). Il apparaît plusieurs années avant la possibilité d’un diagnostic de la maladie et son étude est ainsi d’intérêt particulier pour aider au développement d’outils de dépistage précoces et la sélection de candidats pouvant participer à des essais cliniques visant le développement de traitements potentiellement curateurs. Pour ce faire, il est important de différencier un trouble de l’odorat associé à la MP d’autres troubles de l’odorat non reliés à une maladie neurodégénérative (trouble de l’odorat non-parkinsonien : TONP), tels que des troubles de l’odorat liés à une infection virale, à un traumatisme craniocérébral ou des troubles sinu-nasaux. Le système olfactif est plus complexe qu’il ne le semble et est intimement lié au système trigéminal, un système moins bien connu, qui permet, entre autres, la perception de sensations de fraicheur, chaleur et picotement des odeurs. L’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal est complexe et peu connue. La sensibilité trigéminale est typiquement réduite dans le cas d’un système olfactif altéré dans les TONP, mais il n’est pas bien compris comment les deux systèmes interagissent ensemble dans le cas d’un trouble de l’odorat associé à la MP. L’objectif principal de cette thèse visait donc la caractérisation du trouble de l’odorat associé à la MP lorsque spécifiquement comparé à des patients atteints de TONP. Par conséquent, cette thèse avait aussi pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel et d’un système olfactif altéré dans la MP et d’autres TONP. Nous avons donc d’abord évalué la sensibilité olfactive et trigéminale, sur le plan comportemental (étude 1). Cette première étude a permis d’identifier un patron de réponse spécifique dans la MP avec un système olfactif altéré et un système trigéminal intact,en comparaison à des contrôles, en contraste à une sensibilité trigéminale réduite dans les TONP. Dans le même ordre d’idée, nous avons ensuite évalué la perception des dimensions trigéminales et olfactives de différentes odeurs (étude 2). Nos résultats suggèrent que la perception de sensations trigéminales est intacte chez les patients avec la MP en contraste à la perception de dimensions olfactives qui est réduite, comparativement à des contrôles. Pour mieux comprendre l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel, nous avons ensuite évalué l’impact d’un stimulus olfactif sur la capacité à latéraliser un stimulus trigéminal chez des participants contrôles (étude 3). Cette étude a démontré un effet d’amplification de la réponse trigéminale lors d’une co-stimulation olfactive ipsilatérale suggérant ainsi une interaction au niveau de l’épithélium nasal. Afin de mieux comprendre la réponse trigéminale dans la MP, nous avons évalué la sensibilité trigéminale périphérique et centrale en réponse à un stimulus trigéminal pur via des mesures électrophysiologiques (étude 4). Nous avons ainsi démontré une altération spécifique de la réponse trigéminale dans la MP comparativement à d’autres TONP et à des contrôles. Puisque le bulbe olfactif est l’une des premières régions affectées dans la MP, nous avons ensuite mesuré le volume du bulbe olfactif sur des images IRM (étude 5). Nos résultats ont démontré un volume réduit dans la MP et les TONP comparativement à des contrôles, mais aucune différence entre les patients atteints de la MP et de TONP. Néanmoins, l’utilisation de techniques d’apprentissage profond sur les images IRM du bulbe olfactif a permis de différencier les patients avec la MP des TONP avec une exactitude considérable. Enfin, nous avons étudié la connectivité fonctionnelle au sein du réseau chimiosensoriel (étude 6). Nous avons ainsi identifié des altérations spécifiques de la connectivité et la modularité des réseaux entre des régions de traitement olfactif et trigéminal au repos et lors de la réalisation d’une tâche olfactive et d’une tâche trigéminale chez des patients atteints de la MP en comparaison avec des TONP et des contrôles. En conclusion, la série d’études présentée dans cette thèse contribue à une meilleure compréhension du trouble de l’odorat associé à la MP et propose de potentielles pistes pour le différencier d’autres TONP, notamment par la mesure du système trigéminal. Cette thèse apporte une meilleure compréhension de l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans un système olfactif fonctionnel et de son altération dans les troubles olfactifs associés à la MP ou à d’autres TONP. La caractérisation de ce symptôme non-moteur pourra éventuellement aider au développement d’outils de dépistage précoce de la MP., Olfactory dysfunction is a highly reliable non-motor symptom of Parkinson’s disease (PD) that appears several years before the possibility of a diagnosis of the disease. Hence, its study is of particular interest to help the development of early diagnosis tools and the selection of ideal candidates to participate in clinical trials that aims to test potential neuroprotective treatments. To do so, it is important to differentiate PD-related olfactory dysfunction from other non-neurodegenerative forms of olfactory dysfunctions that can be related to infections, head trauma or sinonasal disease (non-parkinsonian olfactory dysfunction: NPOD). The olfactory system is more complex than it seems and is intimately connected to the trigeminal system, a less well-known system, that allows, amongst others, the perception of sensation of freshness, warmth, and piquancy of odors. The interaction between the olfactory and trigeminal system is complex and not well understood. Trigeminal sensitivity is typically reduced in cases of an impaired olfactory system related to NPOD; however, this is not clear how both systems interact together in PD-related olfactory dysfunction. The main objective of this thesis was to principally characterize PD-related olfactory dysfunction when specifically compared to patients with NPOD. Consequently, this thesis also aimed to bring a better understanding of the interaction between the olfactory and trigeminal system in a fully functional olfactory system as well as in alterations of the olfactory system associated with PD and other NPOD. We have thus first assessed the olfactory and trigeminal sensitivity using behavioral measures (study 1). This study allowed the identification of a specific response pattern in PD patients with an altered olfactory system and an intact trigeminal system, when compared to controls, in contrast to the reduced trigeminal sensitivity observed in NPOD. We then evaluated the perception of trigeminal and olfactory dimensions of different odors (study 2). Our results suggest that the perception of trigeminal sensations is intact in patients with PD in contrast to the perception of olfactory dimensions which is reduced when compared to control participants. To better understand the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functioning olfactory system, we evaluated the impact of an olfactory stimulus on the capacity to lateralize a trigeminal stimulus in healthy participants (study 3). This study has demonstrated an amplification effect of the olfactory system on the trigeminal system particularly during ipsilateral co-stimulation, suggesting an interaction at the level of the olfactory mucosa. To better understand the trigeminal response in PD patients, we further investigated the peripheral and central trigeminal sensitivity in response to a pure trigeminal stimulus by means of electrophysiological measurements (study 4). We thus demonstrated a specific alteration of the trigeminal response in PD patients when specifically compared to patients with NPOD and healthy control participants. As the olfactory bulb is one of the first regions to be affected in PD, we then measured the olfactory bulb volume on MRI scans (study 5). Our results showed reduced olfactory bulb volume in PD patients as well as in NPOD, when compared to controls, but no difference between PD and NPOD patients. Interestingly, the use of deep learning techniques on MRI scans of the olfactory bulb allowed the discrimination between PD patients and NPOD patients with considerable accuracy. Finally, we investigated the functional connectivity within the chemosensory network (study 6). We identified a specific pattern of functional connectivity and chemosensory network modularity in PD patients at resting-state and while performing an olfactory or a trigeminal task, when specifically compared to patients with NPOD and controls. In conclusion, all taken together, the studies presented in this thesis contributes to a better understanding of the PD-related olfactory dysfunction and suggest potential avenues to differentiate it from NPOD, notably through the measurement of the trigeminal system. This thesis brings further knowledge regarding the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functional olfactory system and its alteration in cases of an impaired olfactory system related to PD or NPOD. The characterization of this non-motor symptom of the disease will eventually help the development of early diagnostic tools for PD.

Les contractions rythmiques résultent de l’activité stimulatrice du nœud sinusal dans le cœur et des cellules interstitielles de Cajal (CICs) dans les intestins. Nous avons découvert un nouveau syndrome résultant d’une combinaison de la maladie du nœud sinusal (MNS) et de la pseudo-obstruction intestinale chronique (POIC). Ce syndrome, que nous avons nommé Chronic Atrial and Intestinal Dysrhythmia (CAID), résulte d’une mutation récessive du gène SGO1 (K23E). Cependant, les rôles connus de SGO1 n'expliquent pas l'apparition postnatale du syndrome ni la pathologie spécifique, suggérant que des rôles non canoniques de SGO1 conduisent aux manifestations cliniques observées. Cette hypothèse est supportée par la comparaison de CAID avec les autres cohésinopathies qui présentent principalement des phénotypes développementaux sans ou avec des défauts légers du cycle cellulaire. Ce projet visait à une découverte non biaisée des mécanismes non canoniques expliquant le syndrome CAID en utilisant le dogme de la biologie moléculaire (ADN→ARNm→protéine) comme ligne directrice. Pour ce faire, nous avons effectué des criblages multi-omiques sur des fibroblastes de peau de patients CAID et de contrôles sains. Les résultats des criblages ont été validés par électrophysiologie, étude des voies de signalisation pertinentes, immunohistochimie, pyroséquençage des rétrotransposons LINE-1 et quantification des marques d’histones. Nos études multi-omiques ont confirmé des changements dans la régulation du cycle cellulaire, mais aussi dans la conduction cardiaque et la fonction des muscles lisses. Plus spécifiquement, plusieurs canaux potassiques étaient sous-régulés. L’électrophysiologie a confirmé une diminution du courant potassique rectifiant entrant (IK1). L'immunohistochimie des coupes intestinales de patients CAID a confirmé l’augmentation de l’expression de SGO1 et BUB1, un régulateur de la voie de signalisation TGF-β. De plus, la voie canonique de TGF-β est augmentée et est découplée de la voie non canonique. Au niveau épigénétique, une signature unique d’hyperméthylation et de fermeture de la chromatine a été observée. Ce qui est soutenu par l’augmentation de la méthylation de H3K9me3 et de H3K27me3. En conclusion, le syndrome CAID est associé à plusieurs changements ayant possiblement un effet cumulatif plutôt que d’une seule voie de signalisation dérégulée. Nos résultats désignent la perturbation du courant IK1, la dérégulation de la signalisation TGF-β, l’hyperméthylation de l’ADN et la compaction de la chromatine comme éléments conducteurs potentiels des manifestations cliniques observées. La voie TGF-β et les changements épigénétiques peuvent être ciblées par des médicaments existants, constituant ainsi des cibles thérapeutiques prometteuses pour le traitement du syndrome CAID., Rhythmic contractions are driven by the pacemaker activity of the cardiac sinus node and the intestinal interstitial cells of Cajal (ICC). We have discovered a new syndrome resulting from a combination of sick sinus syndrome (SSS) and chronic intestinal pseudo-obstruction (CIPO). This syndrome, which we have named Chronic Atrial and Intestinal Dysrhythmia (CAID), results from a recessive mutation in the SGO1 gene (K23E). However, the known roles of SGO1 do not explain the postnatal onset of the syndrome nor the specific pathology, suggesting that non-canonical roles of SGO1 lead to the clinical manifestations observed. This hypothesis is supported by the comparison of CAID with other cohesinopathies which mainly exhibit developmental phenotypes without or with mild cell cycle defects. This project aimed towards an unbiased discovery of noncanonical mechanisms explaining CAID using the molecular biology dogma (DNA→mRNA→protein) as a guideline. We performed multi-omic screens on skin fibroblasts from CAID patients and healthy controls. Screening results were validated by electrophysiology, study of relevant signaling pathways, immunohistochemistry, LINE-1 retrotransposon pyrosequencing, and histone marks quantification. Our multiomics analyses confirmed changes in cell cycle regulation, but also in cardiac conduction and smooth muscle function. More specifically, several potassium channels were downregulated. Electrophysiology studies confirmed a decrease in the inward rectifier potassium current (IK1). Immunohistochemistry in CAID patient’s intestinal sections confirmed overexpression of SGO1 and BUB1, a regulator of TGF-β signaling pathway. Additionally, the canonical TGF-β signaling was increased and decoupled from noncanonical signaling. At the epigenetic level, CAID patient fibroblasts have a unique signature of hypermethylation and chromatin closure. This is supported by the increased methylation of H3K9me3 and H3K27me3. In conclusion, CAID syndrome is associated with several changes that, may have a cumulative effect rather than a single deregulated signaling pathway. Our results reveal the disturbance of the IK1 current, the deregulation of TGF-β signaling, DNA hypermethylation and chromatin accessibility changes as potential conductors of intestinal and cardiac manifestations of CAID syndrome. In particular, the TGF-β pathway and epigenetic changes, may be targeted by existing drugs, thus constituting promising therapeutic targets for the treatment of CAID syndrome.

Historically electrophysiology started between the 1600-1700, with the first studies on animals 'muscles. Modern electrophysiology is in great growth because of lack of understanding of electrogenic cells functioning basic mechanisms. This project aims to the development of a bio platform that opens the possibilities to study these mechanisms. The electrogenic cell under analysis are neurons. Different approaches have been taken to study these cells, mainly divided in in-vivo and in-vitro technologies. The developed bio platform is considered as part of the in-vitro technologies, with advantages brought by microfabrication. State-of-the-art devices are presented together with solutions created to obtain multiple sensing possibilities. The objectives of the project are divided in three main areas: the study of the device performance and the multi-sensing possibility; the achievement of subcellular interfacing and axogenesis; theoretical modelling of the system and investigation of biologically relevant questions. The bio platform large-scale compatible microfabrication process is presented. The most critical steps, fundamental for the co-integration of different type of sensors, are explained. A complete description of the entire series of step to obtain a working bio platform is done. The microfabrication process includes classical and projection photolithography, DRIE, wet etch, CVD, PECVD, ALD, and RTA. The realization of FinFETs devices is explained. The process is done on a 4" Silicon On Insulator (SOI) substrate. A study on the packaging techniques has been done. The classical flip-chip technique where the electrodes connections are obtained with gold bumps is substituted with the use of solder paste by serigraphy. It resulted in a more reliable series of connections and a more cost-effective solution. Electrical field potential theory is presented for the nanostructured electrodes of the bio platform. From the theory, an electrical equivalent circuit is proven to be a valuable model for the system via electrochemical impedance spectroscopy characterization of the electrodes and fitting of the data with simulation from the model. Moreover, the use of FinFETs devices as pH sensors is explained. Detailed characterization of these active devices was conducted and the analysis comparing different conditions and materials is presented. Obtaining a level of subcellular control and interfacing between the cells and the electrodes is a subject largely studied in modern research. The specific protocols to conduct a rat primary neuron is described. Different solutions to guide cell growth are discussed: topographic structuration; surface functionalization; microchannels. Being focused on the neuronal axogenesis, the control of axonal growth and cell network formation, the use of microchannels was the chosen solution. Two different methods to obtain these microchannels are presented. The first one includes a particular photolithography step that takes advantages of projection lithography optical effects to structure SU-8 photoresist. The second is based on the use of PDMS, a classical broadly used polymer in microfluidics, to obtain the same result. Both methods have some advantages and drawbacks that are discussed. [...], Historiquement, l'électrophysiologie a commencé entre les années 1600 et 1700. L'électrophysiologie moderne est en grande croissance en raison du manque de compréhension mécanismes de base des cellules électrogéniques. Ce projet vise le développement d'une plateforme qui ouvre les possibilités d'étudier ces mécanismes. Les cellules analysées sont des neurones. Différentes approches ont été adoptés pour étudier ces cellules, principalement divisées en technologies in vivo et in vitro. La plateforme développée est considérée comme faisant partie des technologies in vitro, avec des avantages apportés par la micro-fabrication. Des dispositifs à la pointe de la technologie sont présentés avec des solutions créées pour obtenir de multiples possibilités de détection. Les objectifs du projet sont divisés en trois domaines : l'étude des performances du dispositif et la possibilité de détection multi-physique ; la réalisation de l'interfaçage subcellulaire et de l'axogenèse; modélisation théorique du système et investigation de questions biologiques. Le procédé de micro-fabrication compatible à grande échelle de la bio-plateforme est présenté. Les étapes principales pour la cointégration de différents types de capteurs sont expliquées. Une description complète de toutes les étapes pour obtenir une plateforme fonctionnelle est faite. Le procédé de micro-fabrication comprend la photolithographie classique et par projection, DRIE, gravure humide, CVD, PECVD, ALD et RTA. La réalisation des FinFETs est expliquée. Le procédé est effectué sur un substrat SOI de 4 pouces. Une étude sur les techniques d'assemblage a été réalisée. Le report de puce où les connexions des électrodes sont obtenues avec des bump d'or est remplacée par l'utilisation de pâte à braser par sérigraphie permet l'obtention de connexions plus fiables et une solution plus rentable. La théorie du potentiel de champ électrique est présentée pour les électrodes nanostructures de la bio-plateforme. Un circuit électrique équivalent s'est avéré être un modèle précieux pour le système via la caractérisation par spectroscopie d'impédance électrochimique des électrodes et l'ajustement des données avec simulation à partir du modèle. L'utilisation de dispositifs FinFET comme capteurs de pH est expliquée. Une caractérisation détaillée de ces dispositifs a été réalisée et l'analyse comparant différentes conditions et matériaux est présentée. L'obtention d'un niveau de contrôle subcellulaire et d'interfaçage entre les cellules et les électrodes est un sujet largement étudié dans la recherche moderne. Le protocole spécifique pour la culture des neurones primaire de rat est décrit. Différentes solutions pour guider la croissance cellulaire sont discutées : structuration topographique ; fonctionnalisation de surface ; micro-canaux. L'utilisation de micro-canaux a été la solution choisie pour le contrôle de la croissance axonale. Deux méthodes différentes pour obtenir ces micro-canaux sont présentées. Le premier comprend une étape de photolithographie qui tire parti des effets optiques de lithographie par projection pour structurer la résine photosensible SU-8. Le second est basé sur l'utilisation du PDMS, un polymère classique largement utilisé en micro fluidique. Les deux méthodes présentent certains avantages et inconvénients qui sont discutés.[...]

Investigating the fundamental cortical dynamics underlying vocal and speech production requires access to multiple cortical areas simultaneously. Such access is partly possible in humans when patients are implanted for clinical purpose with intracortical electrodes, but such cases are rare, with usually only partial coverage of involved brain areas. For this reason, animal models are useful to detail the dynamics of cortical networks underlying vocal production. To date, non-human primates, birds and recently rodents have been used, with increasing data showing that non-human primate network model of vocal production shares strong similarities with that of human speech production. The extent to which such model generalizes to other species remains however unclear. In this context, the main purpose of this thesis was to develop a novel experimental paradigm to investigate the cortical bases of vocal production using cortical electrode arrays in minipigs, a large non-primate species very keen in producing vocalizations and easy to handle by humans. This work was conducted in part within the frame of the Graphene Flagship aiming at developing low-noise cortical probes. Such implants were firstly tested in rats’ auditory cortex in response to pure sounds. To explore minipigs’ cortical bases of vocalizations, we firstly characterized the vocalizations produced by these animals in a housing pen, in a context similar to their daily life during the experiment. The results showed 6 categories of calls, with different occurrence situations and acoustic characteristics, allowing us to explore the vocal repertoire of minipigs. Secondly, we developed an experimental setup to record cortical activity along with vocalizations in freely behaving minipigs. We used three minipigs implanted in different cortical areas of the left hemisphere of the animals. We identified key regions activated during vocal production in minipigs, including motor and premotor cortices and inferior frontal gyrus. Minipigs are hence a promising model to study vocal production cortical networks., L’étude des dynamiques corticales fondamentales sous-tendant la production vocale et le langage nécessite l’accès à plusieurs zones corticales simultanément. Un tel accès est en partie possible chez l’Homme lorsque des patients sont implantés à des fins cliniques avec des électrodes intracrâniennes, mais ces cas sont rares, avec en général une couverture partielle des zones du cerveau impliquées. Pour cette raison, les modèles animaux sont utilisés pour détailler la dynamique des réseaux corticaux sous-jacents à la production vocale. À ce jour, les primates non humains, les oiseaux et plus récemment des rongeurs ont été étudiés, et de plus en plus de données montrent que les réseaux corticaux de production vocale des modèles de primates non humains ont de fortes similitudes avec ceux de la production de la parole humaine. La mesure avec laquelle ce modèle se généralise à d’autres espèces demeure toutefois incertaine. Dans ce contexte, le but principal de cette thèse était de développer un nouveau paradigme expérimental pour étudier les bases corticales de la production vocale à l’aide d’électrodes corticales chez les mini-porcs, une espèce domestique non-primate très encline à produire des vocalisations et facile à manipuler par les humains. Ce travail a été réalisé en partie dans le cadre du Graphene Flagship visant à développer des électrodes corticales permettant des enregistrements bas bruit. Ces implants ont d’abord été testés dans le cortex auditif du rat en réponse à des sons purs.Pour explorer les bases corticales de la vocalisation chez le mini-porc, nous avons d’abord caractérisé les vocalisations produites par ces animaux dans un enclos de stabulation, en situation de vie quotidienne. Les résultats ont montré 6 catégories de vocalisations, avec différentes situations d’occurrence et caractéristiques acoustiques, nous permettant d’explorer le répertoire vocal des mini-porcs. Deuxièmement, nous avons développé un paradigme expérimental permettant d’enregistrer chez ces animaux, leur activité corticale en lien avec les vocalisations qu’ils produisent en comportement. Notre étude porte sur trois mini-porcs implantés dans différentes zones corticales de l’hémisphère gauche. Nous avons identifié les régions clés activées lors de la production vocale chez les mini-porcs, incluant les cortex moteur et pré-moteur et le gyrus frontal inférieur. Ces résultats suggèrent que les mini-porcs sont un modèle prometteur pour étudier les réseaux corticaux de la production vocale.

La promotion de l’activité physique en oncologie pédiatrique est un aspect essentiel des soins pour le patient. En effet, l'activité physique améliore significativement la capacité fonctionnelle, le système musculosquelettique, le système immunitaire, le système cardiovasculaire, ainsi que la santé psychologique des patients atteints. La place de l’activité physique en oncologie pédiatrique est au coeur de cette thèse qui s’est inscrite dans une démarche de cotutelle internationale de thèse répondant à plusieurs questions que se posent les patients atteints de cancer pédiatrique et les survivants de cancer pédiatrique, notamment ceux de la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA). Entre autres, « comment le cancer et ses traitements affectent ma santé à court, moyen et long terme ? » Et « comment l’activité physique peut-elle me venir en aide ? » L’objectif principal est de mieux comprendre le déconditionnement physique et les mécanismes potentiels qui en découle chez les survivants de la LLA, tandis que le second objectif est d’explorer l’impact du diagnostic du cancer et d’un programme d’activité physique sur le comportement en activité physique d’enfants atteints de cancer. Pour répondre à ces questions, cette thèse s’intéresse aux paramètres tant physiologiques que psychologiques. Ainsi, les travaux réalisés au sein de cette thèse sont au nombre de cinq. Ils viennent préciser les effets des traitements contre le cancer sur la santé physique et psychologique des patients atteints ou ayant été atteints de cancer pédiatrique. La première étude de cette thèse vise à explorer les différences physiologiques entre les survivants de la LLA et la population canadienne en santé. Pour ces deux populations, les données en activité physique, ainsi que les données de condition cardiorespiratoire ont été comparées afin de fournir une meilleure compréhension des défis auxquels font face les survivants de la LLA au quotidien. La seconde étude vient apporter des réponses au déconditionnement physique des survivants de la LLA. Elle constitue la première étude au monde d’association génétique entre la condition cardiorespiratoire des survivants de la LLA et les gènes de l’aptitude à l’entraînement physique (trainability genes). Son impact auprès des cliniciens, des survivants, des patients et de leur famille est significatif puisqu’elle pourrait permettre, dans un futur proche, d’offrir un meilleur suivi aux patients atteints de la LLA en adéquation avec leur profil génétique et leur condition cardiorespiratoire. La troisième étude de cette thèse explore les effets néfastes à long terme des traitements contre le cancer sur les paramètres électrophysiologiques. Cette étude vise à mieux comprendre le déconditionnement physique des survivants de la LLA, notamment en ce qui a trait à leur système nerveux autonome qui subit d’importants changements. Ces paramètres, étroitement liés au système nerveux sympathique et parasympathique, sont d’une importance capitale dans la pratique sécuritaire d’une activité physique. Finalement, les deux dernières études sont étroitement liées et font suite au constat alarmant observé chez les survivants de la LLA. En ce sens, ces études découlent aussi de l’intérêt de proposer un programme d’activité physique en oncologie pédiatrique. Ces travaux viennent s’intéresser aux mesures de la théorie du comportement planifié, de l’estime de soi et de la condition physique perçue d’enfants atteints de cancer qui sont en cours de traitements. Le quatrième article de cette thèse documente les effets du diagnostic de cancer sur les paramètres psychologiques cités précédemment et montre l’importance de fournir aux enfants atteints de cancer un support en activité physique dès leur diagnostic. Le cinquième article peut être considéré comme une suite au quatrième article puisqu’il vient proposer un programme d’activité physique supervisé. Cette dernière étude montre les effets positifs de six semaines d’activité physique sur les paramètres physiologiques et psychologiques. Elle montre l’importance du support familial pour améliorer le comportement lié à l’activité physique des enfants et alerte les cliniciens sur le besoin réel et pressant de fournir aux enfants atteints de cancer un support en activité physique dès leur diagnostic., Physical activity promotion in pediatric oncology is an essential aspect of patient care. Indeed, physical activity significantly improves the functional capacity, musculoskeletal system, inflammatory system, immune system, cardiovascular system, as well as the psychological health of patients. Physical activity in pediatric oncology is central to this thesis, which was part of an international joint supervision approach, answering several questions posed by children with cancer and childhood cancer survivors, in particular those with acute lymphoblastic leukemia (ALL). Among other things, "How does cancer and its treatments affect my health in the short, medium and long term?" And "How can physical activity help me?". The first aim is to better understand the physical deconditioning of childhood ALL survivors and the potential mechanisms that result from it. The second aim is to explore the impact of cancer diagnosis, as well as a supervised physical activity program on children's physical activity behavior during treatments. To answer these questions, this thesis focuses on physiological, epidemiological, genetic, electrophysiological and psychological parameters. There are five works carried out within this thesis. They specify the effects of cancer treatments on the physical and psychological health of children with cancer and childhood ALL survivors. The first study in this thesis aims to explore the physiological differences between childhood cancer survivors (i.e., ALL survivors) and the healthy Canadian population. For these two populations, physical activity data, as well as cardiorespiratory fitness data, were compared in order to provide a better understanding of the daily challenges faced by childhood ALL survivors. The second study in this thesis provides answers to childhood ALL survivors’ physical deconditioning. This study is the first in the exercise and oncology field to explore the genetic association between childhood ALL survivors’ cardiorespiratory fitness and their trainability genes. These findings have an important impact on clinicians, patients, survivors and their families since they could allow, in the near future, to offer better follow-up to ALL patients, in line with their genetic profile and their cardiorespiratory fitness. The third study in this thesis explores the harmful long-term effects of cancer treatments on the electrophysiological parameters of ALL survivors. This study aims to better understand the physical deconditioning of these survivors, especially in regard to their autonomic nervous system which undergoes significant changes. These parameters, closely linked to the sympathetic and parasympathetic nervous system, are of paramount importance in the safe practice of physical activity. Finally, the last two studies are closely linked and follow up on the alarming observation made in ALL survivors. In this sense, these studies also stem from the interest of proposing a physical activity program in pediatric oncology. This work focuses on measures of the theory of planned behavior, self-esteem and perceived physical condition of children with cancer who are undergoing treatment. The fourth article of this thesis documents the effects of cancer diagnosis on the psychological parameters mentioned above and shows the importance of providing children with cancer with physical activity support as soon as they are diagnosed. The fifth article can be considered as a follow-up to the fourth article since it proposes a supervised physical activity program in pediatric oncology. This latest study shows the positive effects of six weeks of physical activity on the physiological and psychological parameters. It shows the importance of family support to improve behavior linked to physical activity in children and alerts clinicians to the real and pressing need to provide children with cancer with support in physical activity as soon as they are diagnosed., Thèse présentée à l’Université de Montréal, Faculté de médecine, École de kinésiologie et des sciences de l’activité physique et à l’Université Paris Nanterre, Département de Psychologie dans le cadre de la cotutelle internationale de thèse entre les deux établissements

Accurate sensory acquisition and perception are key features to survival. Though many parameters underlying the processing of sensory information is known, several aspects are still poorly understood, such as the exact contribution of each cerebral structure. Here, we analyze the cerebellar contribution to sensory processing in the mouse whisker system. We identify an anatomical and physiological disynaptic projection from the cerebellar nuclei to the primary sensory cortex, involving notably by the posterior medial thalamus (POm). The modulation of this strong driver-like cerebello-thalamic projection induces an impairment in a fine sensory discrimination task, and its co-activation along with peripheral inputs induces the increased recruitment of POm projections to layer I of sensory cortex. Taken together, our results show that the cerebellum targets non-motor cortical areas and can directly modulate sensory processing through a higher order thalamic nucleus, the POm., Une acquisition sensorielle et une perception précises sont des éléments clés de la survie. Bien que de nombreux paramètres sous-jacents au traitement des informations sensorielles soient connus, plusieurs aspects sont encore mal compris, comme la contribution exacte de chaque structure cérébrale. Ici, nous analysons la contribution cérébelleuse au traitement sensoriel dans le système des vibrisses de la souris. Nous identifions une projection anatomique et physiologique disynaptique des noyaux cérébelleux vers le cortex sensoriel primaire, impliquant notamment le thalamus postérieur médian (POm). La modulation de cette projection cérébelleuse et thalamique de type "driver" induit un déficit dans une tâche de discrimination sensorielle fine, et sa co-activation avec des entrées périphériques induit le recrutement accru des projections du POm dans la couche I du cortex sensoriel. Dans leur ensemble, nos résultats montrent que le cervelet cible aussi des zones corticales non motrices et peut directement moduler le traitement sensoriel par l'intermédiaire d'un noyau thalamique d'ordre élevé, le POm.

Humans and animals are motivated beings. In world where resources are limited, weconstantly perform actions to reach the goals we set to ourselves. In the first place, we need tomaintain homeostasis by searching food, water or shelter. The concept of motivation does not directlyrefer to these actions, but to the processes that augment the probability to perform them.Nonetheless, orienting these actions require to integrate environmental stimuli that inform us on thepossibility to obtain rewards.The nucleus accumbens (NAc), the ventral part of the striatum, belongs to the basal ganglia systemand is an essential element involved in the processes motivating the actions that allow to reach ourgoals, especially when they are guided by predictive stimuli. However, stimuli have two distinct typesof properties. First, they incentivize our actions and second, they give us instructions about the specificactions to perform to reach the selected goal.In this PhD work, we first sought to understand the implication of the NAc in incentive and instructivestimuli processing. We manipulated and recorded NAc neurons in rats performing a GO/NOGO taskinvolving these two types of stimuli. We observed that pharmacologically inactivating the NAc reducedthe engagement in action in response to incentive stimuli but had no effect in the rats ‘ability tocorrectly respond to instructive stimuli. We observed stronger excitations to the incentive than theinstructive stimuli. Moreover, these neurons displayed incentive stimuli-evoked excitations thatdepended on the motivational level of the animal. We called these neurons MOTIV+. Conversely, weobserved a second population of neurons specifically activated by the incentive stimuli to which theanimals did not engage in action in response to them. We called these neurons MOTIV-. We thenshowed that the population of MOTIV+ neurons was mostly made of medium spiny projection neuronswhile MOTIV- neurons were highly enriched in cholinergic interneurons.In a second study, we sought to determine how satiety information modulated motivation instantiatedby incentive stimuli. The paraventricular nucleus of the thalamus (PVT) strongly projects to the NAcand receives orexin inputs from the lateral hypothalamus, a central player in the integration ofmetabolic information. We observed that in sated rats, PVT stimulation either with optogenetic or withlocal orexin injections was sufficient to restore excitations of MOTIV+ neurons and the engagement inactions in response to the incentive stimulus.The parafascicular nucleus of the thalamus (Pfn) projects to the NAc and synapses preferentially ontocholinergic interneurons. In a third study, we sought to determine whether Pf neuronal activity couldexplain MOTIV- neuronal activity in the NAc. We recorded Pf neurons in response to incentive stimuliin a reward-seeking task. We observed a bidirectional encoding of motivation with MOTIV+ andMOTIV- profiles. The temporal dynamic of Pf responses suggests that Pf MOTIV- neuronal responsescould indeed be responsible for that found NAc MOTIV- neurons. Thus, this structure could play animportant attentional role by inhibiting the stimuli that are not pertinent to the need the animal seeksto satisfy. Together, this work allowed to bring a new light on how the NAc integrates exteroceptivebut also interoceptive information to modulate the level of motivation.; Humain et animaux sont des êtres motivés. Dans un monde aux ressources limitées, nous réalisonsen permanence des actions permettant d’atteindre les buts que nous nous sommes fixés. En premier lieu,il est nécessaire de maintenir l’homéostasie en cherchant de la nourriture, de l’eau ou un abri. Le conceptde motivation ne se réfère pas directement à ces actions, mais aux processus qui vont augmenter laprobabilité de les réaliser. Toutefois, pour guider ces actions motivées, nous avons besoin d’intégrer desstimuli environnementaux qui nous renseignent sur la possibilité d’obtenir des récompenses.Le noyau accumbens (NAc), partie ventrale du striatum au sein du système des ganglions de la base, est unmaillon important dans les processus qui motivent les actions et qui nous permettent d’atteindre nosobjectifs, en particulier quand ceux-ci sont guidés par des stimuli prédictifs. Cependant, les stimuli ont deuxtypes de propriétés. D’une part, ils nous incitent à nous engager dans l’action et d’autre part, nous donnentdes instructions sur le type d’action à réaliser afin d’atteindre l’objectif fixé.Dans ce travail de thèse, nous avons en premier lieu cherché à comprendre l’implication du NAc dans laprise en compte de stimuli aux propriétés incitatives et instructives. Pour cela, nous avons manipulé etenregistré les neurones de cette structure, chez des rats effectuant une tâche de GO/NOGO guidée par cesdeux types de stimuli. Nous avons observé que l’inactivation pharmacologique du NAc réduisaitl’engagement dans l’action en réponse au stimulus incitatif, mais n’affectait pas la capacité à répondrecorrectement aux stimuli instructifs. Nous avons observé de plus fortes excitations aux stimuli incitatifsqu’instructifs. De plus, ces neurones présentaient des excitations aux stimuli incitatifs dépendantes de lamotivation de l’animal. Nous avons appelé cette population : MOTIV+. À l’inverse, nous avons observé uneseconde population de neurones s’activant en réponse au stimulus incitatif uniquement lorsque l’animalne s’engageait pas dans l’action. Nous avons appelé ces neurones MOTIV-. Nous avons par la suite montréque la population MOTIV+ est majoritairement constituée par des neurones de projection épineux moyenstandis que la population MOTIV- était fortement enrichie en interneurones, notamment cholinergiques.Dans un second travail, nous avons cherché à déterminer comment les informations de satiété pouvaientmoduler la motivation en réponse à des stimuli incitatifs prédisant des récompenses alimentaires. Le noyauparaventriculaire du thalamus (PVT) projette fortement au NAc et reçoit des afférences orexinergiques del’hypothalamus latéral, qui joue un rôle central dans l’intégration des informations métaboliques. Nousavons observé que, chez des rats à satiété, la stimulation du PVT, par optogénétique et par injection localed’orexine, était suffisante pour rétablir les excitations des neurones MOTIV+ ainsi que l’engagement dansl’action en réponse au stimulus incitatif.Le noyau parafasciculaire du thalamus (Pfn) projette au NAc et synapse préférentiellement sur lesinterneurones cholinergiques. Dans une troisième étude, nous avons cherché à déterminer si l’activiténeuronale du Pfn pouvait expliquer les réponses des neurones MOTIV- du NAc. Nous avons enregistrél’activité des neurones du Pfn en réponse à des stimuli incitatifs dans une tâche de recherche derécompense. Nous avons ainsi observé un encodage bidirectionnel de la motivation avec des profils MOTIV+et MOTIV-. Le décours temporel des réponses du Pfn suggère qu’effectivement l’activité de neuronesMOTIV- dans le Pfn pourraient être responsable de celle des neurones MOTIV- du NAc. Ainsi, cette structurepourrait jouer un rôle attentionnel important en inhibant les stimuli non reliés aux besoins que l’animalcherche à satisfaire. L’ensemble de ces travaux a permis d’apporter un éclairage nouveau sur la manièredont le NAc intègre des informations extéroceptives, mais aussi intéroceptives afin de moduler le niveaumotivationnel.

La formation de nouveaux souvenirs après une expérience unique nécessite un encodage initial rapide puis une consolidation dans le temps. Pendant l'apprentissage, les informations multimodales convergent vers l'hippocampe, activant des assemblages neuronaux épars. On pense que les neurones activés forment une représentation de la mémoire par une activité concertée et une interconnectivité synaptique. Des études computationnelles et comportementales montrent que la région CA3 de l'hippocampe est une structure clé impliquée dans l'intégration d'informations multimodales et le stockage rapide de la mémoire. Dans cette étude, les propriétés des neurones CA3 activés et de leur réseau local après l'apprentissage en une seule fois d'une mémoire de type épisodique sont explorées. Des constructions virales basées sur le gène immédiatement précoce cFos sont utilisées pour identifier et suivre ex vivo les assemblages CA3 à différents moments de leur émergence et de leur développement. Nous décrivons l'utilisation d'une nouvelle construction basée sur le cFos permettant l'expression transitoire dépendante de l'activité d'un marqueur fluorescent déstabilisé ZsGreen rapidement après un apprentissage d'essai (quelques heures). En parallèle, le système de marqueurs d'activité robustes (RAM), qui permet un marquage dépendant de l'activité 24 heures après une expérience inédite, est utilisé pour caractériser les assemblages neuronaux après une phase initiale de consolidation. Les propriétés électrophysiologiques des cellules pyramidales CA3 marquées avec ces techniques sont rapportées au moyen d'enregistrements par patch-clamp dans des tranches hippocampiques ex vivo. Nous analysons les propriétés intrinsèques et la connectivité synaptique des neurones CA3 activés par une tâche de mémoire à un essai, en comparaison avec les neurones pyramidaux voisins non activés, ce qui fournit des informations sur les changements de ces propriétés au cours de la période initiale d'encodage et de la première phase de consolidation., Forming new memories after a one-time experience requires rapid initial encoding then consolidation over time. During learning, multimodal information converges into the hippocampus, activating sparse neuronal assemblies. Activated neurons are believed to form a memory representation through concerted activity and synaptic interconnectivity. Computational and behavioral studies point at the hippocampal CA3 region as a key structure involved in multimodal information integration and fast memory storage. In this study, properties of activated CA3 neurons and their local network following one-trial learning of an episodic-like memory are explored. Virally-delivered constructs based on the immediate-early gene cFos are employed to identify and track CA3 assemblies ex-vivo at different time points in their emergence and development. We describe the use of a novel cFos-based construct allowing activity-dependent transitory expression of a destabilized fluorescent marker ZsGreen rapidly after one-trial learning (few hours). In parallel, the Robust Activity Marker (RAM) system, that provides activity-dependent labelling 24 hours following a novel experience, is used to characterize neuronal assemblies after an initial phase of consolidation. Electrophysiological properties of CA3 pyramidal cells labeled with these techniques are reported by means of patch-clamp recordings in ex vivo hippocampal slices. We analyze the intrinsic properties and synaptic connectivity of CA3 neurons activated by a one-trial memory task, in comparison with non-activated neighbor pyramidal neurons, providing information on the changes of these properties over the initial period of encoding and the early phase of consolidation.

La trisomie 21 (T21), le Syndrome X Fragile (SXF), la Sclérose tubéreuse de Bourneville (STB) et les mutations SYNGAP1 sont causés par des dysfonctionnements des voies moléculaires qui entraînent notamment un déséquilibre dans l’excitation et l’inhibition de l’activité neuronale qui aurait des impacts sur le développement et le fonctionnement du cerveau. Toutefois, il est difficile de faire le pont entre les déséquilibres moléculaires observés dans les modèles animaux et les particularités structurelles, fonctionnelles et cognitives observées dans ces syndromes chez l’humain. À notre connaissance, peu d’études ont comparé différents syndromes génétiques sur les processus sensoriels, l’apprentissage de base ou encore leurs caractéristiques comportementales en utilisant des paradigmes similaires et translationnels, permettant de mieux comprendre leurs particularités. Le premier volet de cette thèse vise à identifier si l’activité électroencéphalographique serait un biomarqueur adéquat représentant les altérations neurobiologiques tant des processus sensoriels que d’apprentissage chez les humains présentant ces syndromes. L’étude #1 avait comme objectif de décrire le traitement sensoriel auditif, comme il s’agit d’un processus élémentaire, et ce, chez les mutations SYNGAP1 qui représentent une condition génétique encore peu étudiée chez l’humain. Les résultats ont d’ailleurs permis d’identifier une diminution de la synchronisation de phase et une augmentation de la puissance dans la bande gamma qui distinguent cette condition génétique tant des participants sans DI que de la T21. Toujours dans l’esprit d’identifier des biomarqueurs électroencéphalographiques, mais cette fois au niveau d’un processus cognitif de base, l’étude #2 avait pour objectif de comparer tous ces syndromes dans un paradigme de suppression neuronale (SN) afin de vérifier la présence de SN et de comparer l’apprentissage de base chez ces populations. Les résultats ont identifiés que la T21 et le SXF présentaient tous les deux un patron de SN et que le SXF présentait relativement une plus forte habituation indiquant des particularités spécifiques selon les syndromes. Le deuxième volet, davantage clinique, permet de comparer les profils comportementaux associés au fonctionnement adaptatif entre les syndromes et à décrire les pistes d’intervention existantes. L’étude #3 a notamment mis en évidence que le QI et les symptômes de TDAH sont associés au fonctionnement adaptatif auprès de ces différents syndromes dont le SXF et la STB. Cet article a aussi permis de décrire les profils comportementaux de ces mêmes conditions en révélant davantage de difficultés rapportées chez les individus présentant un SXF, alors que la T21 présentait moins de particularités cliniques au niveau comportemental. Enfin, l’article #4 a mis en lumière diverses interventions utilisées auprès de la population présentant une DI notamment des stratégies cognitivo-comportementales et compensatoires. Cette thèse permet donc de dresser un portrait spécifique de ces syndromes génétiques concernant leur signature électrophysiologique lors du traitement sensoriel et de l’apprentissage ainsi que sur le plan des comorbidités comportementales et de leur relation avec le fonctionnement adaptatif, pour ensuite aborder les interventions actuelles en DI. Les diverses particularités identifiées à plusieurs niveaux ont permis de générer des suggestions pouvant guider certaines interventions futures., Down syndrome (DS), Fragile X syndrome (FXS), Tuberous sclerosis complex (TSC) and SYNGAP1 mutations are caused by dysfunctions of the molecular pathways which lead among others to an imbalance in excitation and inhibition of the neuronal activity that would impact the brain development and its functioning. However, it is difficult to directly bridge the gap between the molecular imbalances observed in animal models with the structural, functional and cognitive characteristics observed in human with these syndromes. To our knowledge, few studies have compared those different genetic syndromes on sensory processing, basic learning or on their behavioural issues using similar and translational paradigms then allowing a better understanding of their specificities. The first part of this thesis aims to identify whether electroencephalographic activity would be an adequate biomarker representing neurobiological alterations both in sensory processing and learning in humans with these syndromes. The goal of study #1 was to describe auditory sensory processing, as a very first basic process, in SYNGAP1 mutations being a genetic condition still little studied in humans. Results showed a decrease in phase synchronization and an increase in the power of gamma band which distinguish this genetic condition both from participants without ID and from DS. Still in order to identify electroencephalographic biomarkers, but this time at a basic cognitive level, study #2 aimed to compare all these syndromes in a repetition suppression (RS) paradigm in order to observe the presence of RS and compare basic learning in these populations. The results identified a RS pattern in both DS and FXS. FXS also exhibited relatively higher habituation then indicating specific features according to the syndrome. The second part, addressing clinical aspects, permits to compare the behavioural profiles associated with adaptive functioning between syndromes and to describe existing interventions on ID population. Study #3 notably highlighted that IQ and ADHD symptoms are associated with adaptive functioning especially in FXS and TSC. This article also made it possible to describe the behavioural profiles of these syndromes, revealing more difficulties reported in individuals with FXS, while DS presented fewer behavioural issues. Finally, article #4 highlighted various interventions used with ID population, notably cognitive-behavioural and compensatory strategies. This thesis therefore makes it possible to gain a better understanding of these genetic syndromes concerning their electrophysiological signature during sensory processing and learning as well as in terms of behavioural comorbidities and their relationship with adaptive functioning, to then address current ID interventions. These different syndromic particularities identified at several levels made it possible to generate suggestions that could guide future interventions in this field.

Pancreatic islets are multicellular micro-organs involved in glucose homeostasis. Their secretory activity and their interactions are modulated by autocrine and paracrine factors, to provide fine regulation of the storage or production of energy to maintain carbohydrate homeostasis. The β cell is a natural glucose sensor which integrates signals transmitted by other nutrients and hormones. Metabolic activation of ion channels present on the surface of the plasma membrane leads to ionic fluxes responsible for the electrical activity of the β cell.The first study of my thesis concerned the fine regulation of islets involving the neurotransmitter glutamate. The objective was to study the role of the glutamate receptor, GluK2 present in pancreatic α cells, in carbohydrate homeostasis and in the regulation of islet secretion. The technique of extracellular recordings on multi-electrode arrays (MEAs) was used to study the electrical activity of islets of mice transgenic for GluK2 of different ages in a non-invasive manner over the long term of a prandial/postprandial phase.Secondly, I subsequently devoted most of my thesis to the development of new biosensors, organic electrochemical transistors (OECTs). These OECTs are based on organic electronics further enhancing extracellular recordings as already shown with neurons and striated muscle cells. Their semiconductor polymer gives them a mixed electronic / ionic conductivity allowing richer electrical recordings and amplification of local signals with an excellent signal / noise ratio. OECTs are accessible to chemical modifications and making the polymer specific to ions inherent in pancreatic cell function (K+, Na+, Ca2+, Zn2+) would further improve analytical power. The challenge was to develop this OECTs approach for the first time for islets, known for the small amplitude of their signals, by studying their long-term stability, in contact with biological substrates, and by setting up electronic cards for monitoring electrical activity.The first study showed that mutated mice deficient in GluK2 exhibited decreased secretion of glucagon and insulin in-vivo and in-vitro, leading to better glucose tolerance and improved insulin sensitivity, to adulthood and during aging. Removal of this receptor improves carbohydrate homeostasis and preserves it in aging, suggesting that inactivating or blocking GluK2 may be beneficial for carbohydrate homeostasis and may preserve islets during aging.The implementation of OECT technology made it possible to establish non-invasive electrical parameters for their performance in terms of amplification, which is essential for our long-term quantitative biological studies. The developed electronic card is tunable for each OECT channel allowing the electrical parameters to be adjusted according to their level of performance and thus opens the possibility of quantitative studies. We validated the approach using first cardiac muscle cells, already described in the literature and showing electrical signals of large amplitude. These cardiomyocytes were used to determine non-invasive electrical conditions where signal detection is possible with improved signal-to-noise ratios. I subsequently recorded the electrical activity of islets on OECTs by measuring slow potentials (SPs), multicellular coupling signals and action potentials (APs), single-cell fast signals. Thus, we accomplished to use OECTs in quantitative studies on cardiac cells and islets to provide proof of concept. In the future, these OECTs open up the possibility of using ion-specific polymers to monitor the activity of specific ion channels in experiments mimicking physiology or pathophysiological conditions., Les îlots pancréatiques sont des micro-organes multicellulaires impliqués dans l’homéostasie du glucose. Leur activité sécrétoire et leurs interactions sont modulées par des facteurs autocrine et paracrine potentialisant ou non le stockage ou la production de l’énergie pour maintenir une homéostasie glucidique. La cellule β est un capteur naturel du glucose qui intègre les signaux transmis par les autres nutriments et les hormones. L’activation des canaux ioniques présents à la surface de la membrane plasmique conduit à des flux ioniques responsables de l’activité électrique de la cellule β.La première étude de ma thèse concerne la régulation fine des îlots impliquant le neuromédiateur glutamate. L’objectif était d’étudier le rôle du récepteur au glutamate GluK2 présent dans les cellules α pancréatiques, dans l’homéostasie glucidique et dans la régulation de la sécrétion des îlots. La technique d’enregistrements extracellulaires sur matrices de microélectrodes (MEAs) a permis entre autres d’étudier l’activité électrique des îlots de souris transgéniques pour GluK2, de différents âges, de manière non-invasive sur le long-terme.Dans un second temps, j’ai consacré la majeure partie de ma thèse au développement de nouveaux biocapteurs, les transistors électrochimiques organiques (OECTs). Ces OECTs sont basés sur l’électronique organique améliorant davantage les enregistrements extracellulaires comme déjà montré avec les neurones et les cellules musculaires striées. Leur polymère semi-conducteur leur confère une conductivité électronique/ionique mixte permettant des enregistrements électriques plus riches et une amplification des signaux locaux avec un excellent rapport signal/bruit. Les OECTs sont accessibles aux modifications chimiques ; rendre le polymère spécifique à des ions inhérents à la fonction des cellules pancréatiques (K+, Na+, Ca2+, Zn2+) améliorerait davantage le pouvoir analytique. Le challenge fut de développer cette approche OECTs pour la première fois pour les îlots, en étudiant leur stabilité à long-terme, en contact de substrats biologiques, et en mettant en place des cartes électroniques pour le suivi de l’activité électrique.La première étude a montré que les souris mutées déficientes pour GluK2 présentaient une diminution de la sécrétion de glucagon et de l’insuline in-vivo et in-vitro, conduisant à une meilleure tolérance au glucose et une meilleure sensibilité à l’insuline, à l’âge adulte et lors du vieillissement. La suppression de ce récepteur améliore l’homéostasie glucidique et la préserve du vieillissement, suggérant que l’inactivation ou le blocage de GluK2 pourrait être bénéfique pour l’homéostasie glucidique et pourrait la préserver lors du vieillissement.La mise en place de la technologie OECTs a permis d’établir des paramètres électriques non-invasifs pour leur performance en termes d’amplification ce qui est primordial pour nos études biologiques quantitatives long-terme. La carte électronique développée est réglable par OECT permettant d’ajuster les paramètres électriques en fonction de leur niveau de performance. Nous l’avons validée grâce aux cellules cardiaques, déjà testées dans la littérature et montrant des signaux électriques de grande amplitude. Les cellules cardiaques ont permis de déterminer les conditions électriques non invasives pour lesquelles la détection des signaux est possible avec les meilleurs rapports signal/bruit. Nous avons ensuite enregistré l’activité électrique des îlots sur OECTs en mesurant les potentiels lents (PLs), signaux de couplages multicellulaires, et les potentiels d’action (PAs), signaux rapides unicellulaires. Ainsi, nous avons réalisé avec les OECTs des études quantitatives sur cellules cardiaques et îlots pour montrer la preuve du concept. À l’avenir, ces OECTs ouvrent la possibilité d'utiliser des polymères ions-spécifiques pour suivre l’activité de canaux ioniques précis lors d’expériences mimant la physiologie ou des conditions physiopathologiques.

This thesis focuses on the applications of functional ultrasound imaging (fUS) to the study of neurovascular phenomena in rats and non-human primates, in particular the study of inputs into the central nervous system and the integration of information by higher centres of cognition. Initially, it enabled us to study the integration of nociceptive information by the spinal cord in rats. A second part of this thesis allowed us, in the non-human primate, to image a fronto-medial plane containing the supplementary eye field (SEF) and the anterior cingulate cortex (ACC). We showed, for the first time, that the SEF allow the monitoring of motivation as well as a role of the CCA in the will and free will of the primate. Finally, we were interested in the coupling between two techniques: fUS and electrophysiology. The major interest of coupled measurements lies in the ability to directly measure local neuronal activity but also the resulting hemodynamic response, allowing us to link the neuronal response to the vascular response., Ces travaux de thèse portent sur les applications de l’imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS) à l’étude de phénomènes neurovasculaires chez le rat et le primate non-humain, notamment l’étude des entrées dans le système nerveux central et à l’intégration de l’information par les centres supérieurs de la cognition. Elle nous a, dans un premier temps, permis d’étudier l’intégration de l’information nociceptive par la moelle épinière chez le rat. Une seconde partie de cette thèse nous a permis, chez le primate non-humain, d’imager un plan fronto-médian contenant les champs oculomoteurs supplémentaires (COS) et le cortex cingulaire antérieur (CCA). Nous avons montré, pour la première fois, que les COS permettent le suivi de la motivation ainsi qu’un rôle du CCA dans la volonté et le libre-arbitre du primate. Finalement, nous nous sommes intéressés au couplage entre deux techniques : le fUS et l’électrophysiologie. L’intérêt majeur des mesures couplées réside dans la capacité de mesurer directement l’activité neuronale locale mais aussi la réponse hémodynamique qui en découle, nous permettant de lier la réponse neuronale à la réponse vasculaire.