Information processing in the cerebellar cortex in normal and pathological conditions - Institut des Neurosciences Cellulaires et Intégratives

Information processing in the cerebellar cortex in normal and pathological conditions

Philippe Isope, Frédéric Doussau & Bernard Poulain

Presentation

The cerebellum plays a major role in the control and learning of skilled movements, and in the timing of our actions. Despite its macroscopic isotropy, the cerebellar cortex is compartmentalized into biochemically- and functionally-defined modules. Indeed, Purkinje cells belong to multiple classes that form an array of transverse zones and parasagittal stripes, which can be identified by histochemical markers called Zebrins. Functional studies have demonstrated that task-related modules can be identified and selectively modified.

Our main questions are:
How is spatial and temporal information processed in cerebellar modules?
How is specific information communicated to other brain areas in normal and pathological conditions?

To address these issues, we combine in vitro and in vivo electrophysiological recordings with two photon imaging and optogenetic techniques in rodent cerebellum.

Fekrije Selimi, Collège de France, Paris
Daniela Popa et Clément Léna, IBENS, Paris
Cathie Ventalon, IBENS, Paris
David Digregorio, Pasteur, Paris
Jean Livet, Institut de la Vision, Paris
Emmanuel Beaurepaire, Ecole Polytechnique, Paris-Saclay
Arvind Kumar, KTH, Suède

Binda F, Spaeth L, Kumar A, Isope P. Excitation and Inhibition Delays within a Feedforward Inhibitory Pathway Modulate Cerebellar Purkinje Cell Output in Mice. J Neurosci. 2023 Aug 16;43(33):5905-5917. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0091-23.2023. Epub 2023 Jul 26. PMID: 37495382; PMCID: PMC10436687.

Spaeth L, Bahuguna J, Gagneux T, Dorgans K, Sugihara I, Poulain B, Battaglia D, Isope P. Cerebellar connectivity maps embody individual adaptive behavior in mice. Nat Commun. 2022 Jan 31;13(1):580. doi: 10.1038/s41467-022-27984-8.

González-Calvo I, Iyer K, Carquin M, Khayachi A, Giuliani FA, Sigoillot SM, Vincent J, Séveno M, Veleanu M, Tahraoui S, Albert M, Vigy O, Bosso-Lefèvre C, Nadjar Y, Dumoulin A, Triller A, Bessereau JL, Rondi-Reig L, Isope P, Selimi F. Sushi domain-containing protein 4 controls synaptic plasticity and motor learning. eLife. 2021 Mar 4;10:e65712

Straub I, Witter L, Eshra A, Hoidis M, Byczkowicz N, Maas S, Delvendahl I, Dorgans K, Savier E, Bechmann I, Krueger M, Isope P, Hallermann S. Gradients in the mammalian cerebellar cortex enable Fourier-like transformation and improve storing capacity. eLife. 2020 Feb 5;9:e51771. doi: 10.7554/eLife.51771.

Özcan OO, Wang X, Binda F, Dorgans K, De Zeeuw CI, Gao Z, Aertsen A, Kumar A, Isope P. Differential Coding Strategies in Glutamatergic and GABAergic Neurons in the Medial Cerebellar Nucleus. J Neurosci. 2020 Jan 2;40(1):159-170.

Dorgans K, Demais V, Bailly Y, Poulain B, Isope P, Doussau F. Short-term plasticity at cerebellar granule cell to molecular layer interneuron synapses expands information processing. eLife. 2019 May 13;8. pii: e41586.

Grangeray-Vilmint A, Valera AM, Kumar A, Isope P. Short-Term Plasticity Combines with Excitation-Inhibition Balance to Expand Cerebellar Purkinje Cell Dynamic Range. J Neurosci. 2018 May 30;38(22):5153-5167.

Doussau F, Schmidt H, Dorgans K, Valera AM, Poulain B, Isope P. Frequency-dependent mobilization of heterogeneous pools of synaptic vesicles shapes presynaptic plasticity. eLife 2017 Oct 9;6. pii: e28935.

Valera AM, Binda F, Pawlowski SA, Dupont JL, Casella JF, Rothstein JD, Poulain B, Isope P. Stereotyped spatial patterns of functional synaptic connectivity in the cerebellar cortex eLife. 2016 Mar 16;5. pii: e09862.

Proville RD, Spolidoro M, Guyon N, Dugué GP, Selimi F, Isope P, Popa D, Léna C. Cerebellum involvement in cortical sensorimotor circuits for the control of voluntary movements. Nat Neurosci. 2014 Sep;17(9):1233-9.

Chaumont J, Guyon N, Valera AM, Dugué GP, Popa D, Marcaggi P, Gautheron V, Reibel-Foisset S, Dieudonné S, Stephan A, Barrot M, Cassel JC, Dupont JL, Doussau F, Poulain B, Selimi F, Léna C, Isope P. Clusters of cerebellar Purkinje cells control their afferent climbing fiber discharge. PNAS. 2013 Oct 1;110(40):16223-8.

Thèse: équipe Trafic membranaire intracellulaire dans les systèmes nerveux et endocrines

Titre: Conception de navettes peptidique sélectives au cuivre afin de prévenir la toxicité du complexe Cuamyloïde-J3 lié à la maladie d’Alzheimer.

Résumé: La maladie d’Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue et se caractérise par l’apparition, dans des parties spécifiques du cerveau, d’enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires et de plaques amyloïdes extracellulaires. Ces dernières résultent d’un métabolisme anormal de« Amyloidbeta precursor protein » (APP) conduisant à l’accumulation d’Al3 dans des plaques. Des analyses ex vivo du cerveau des patients atteints de la MA, montre une concentration anormalement élevée de Cu, Zn et Fe dans ces plaques. D’autres études ont démontré que seul le niveau de Cu était diminué dans tout le cerveau et dans les régions fortement touchées par la MA. Cette carence s’accompagne d’une diminution des niveaux de Cu neuronal ainsi que d’une augmentation du Cu extracellulaire « labile » où ce dernier participe à la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Pour corriger cette dyshoméostasie du Cu dans le cerveau des patients atteints de MA, nous avons conçu et synthétisé des nouvelles navettes peptidiques sélectives pour le Cu(II), capable de récupérer le Cu de l’Al3 extracellulaire et de libérer le Cu à l’intérieur des cellules. Cette thèse détaille d’abord la caractérisation physico-chimique de ces nouvelles navettes peptidiques, puis elle se poursuit par des études in cellulo sur les cellules PC12, utilisées comme modèle neuronale de la MA. Enfin, nous avons étudié la capacité de nos navettes à protéger des tranches organotypiques d’hippocampe (OHSC) contre l’impact de niveaux élevés de Cu extracellulaire.

Title: Design of copper-selective peptide shuttles to prevent the toxicity of the Cuamyloid-J3 complex linked to Alzheimer’s disease.

Summary: To date Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease with hallmarks including the apparition, in specific parts of the brain, of intracellular neurofibrillary tangles and extracellular amyloid plaques. The latter results from an abnormal metabolism of Amyloid-beta precursor prote in (APP) leading to the accumulation of Al3 in plaques. Ex vivo analysis of AD patients’ brains, show an abnormally elevated concentration of Cu, Zn and Fe in these plaques. Further studies demonstrated reduced Cu levels in the entire brain and more specifically in regions heavily affected in AD. This decrease is accompanied by a decline in neuronal Cu levels and by an increase in extracellular labile Cu promoting reactive oxygen species (ROS) generation. To correct this Cu dyshomeostasis in the brain of AD patients, we designed and synthesized novel Cu(ll)-selective peptide shuttles, capable of retrieving Cu from extracellular Al3 and releasing Cu inside cells. This thesis details, firstly the physico-chemical characterization of novel peptide shuttles, followed by in cel/u/o studies using PC12 cells as neuronal model of AD. Finally, we investigated the ability of our shuttles to protect organotypic hippocampal slices (OHSCs) from Cu insult.

Position actuelle: Post-doctorat
Institut : Institut du cerveau, Paris, France
Team leader (cheffe d’équipe) : Marie-Claude Potier
Research topic : Reducing the production of toxic Aβ peptides in Alzheimer’s disease by mutating the APP cholesterol-binding site: a new therapeutic strategy ?

Thèse: équipe Lumière, vision & cerveau

Titre: Rôle de l’horloge circadienne dans le développement de la rétine.

Résumé: La rotation de 24 heures de la Terre autour de son axe a fait évoluer la vie et a établi un cycle perpétuel de lumière-obscurité. Par conséquent, les rythmes intrinsèques ≈ 24h sont devenus une caractéristique fondamentale de chaque processus cellulaire et physiologique dans tout le corps. La rétine contient une horloge circadienne endogène qui régule de nombreux processus physiologiques selon un rythme récurrent de 24 heures permettant l’adaptation de la fonction visuelle aux changements quotidiens d’intensité lumineuse. L’objectif de cette thèse de doctorat était d’identifier la machinerie moléculaire qui sous-tend l’influence de l’horloge circadienne au cours du développement de l’œil. Cette thèse de doctorat révèle diverses facettes de la pertinence omniprésente de l’horloge circadienne dans la physiologie oculaire. Bien que d’autres études seront nécessaires pour déterminer le lien entre le phénotype circadien et les anomalies rétiniennes, nos résultats révèlent néanmoins des mécanismes biologiques potentiels, notamment des voies de signalisation reliant potentiellement l’horloge, la génération de photorécepteurs et le contrôle du cycle cellulaire dans la rétine en développement.

Title: Role of the Biological Clock in Retinal Development.

Summary: The Earth’s 24-hour rotation around its axis evolved life and established a perpetual light-dark cycle. As a result, intrinsic ≈ 24h rhythms have become a fundamental feature of every cellular and physiological process throughout the body. The retina contains an endogenous circadian clock that regulates many physiological processes according to a recurrent 24-hour rhythm allowing adaptation of visual function to daily changes in light intensity. The aim of this PhD thesis was to identify the molecular machinery underlying the influence of the circadian clock during eye development. This PhD thesis reveals various facets of the pervasive relevance of the circadian clock in ocular physiology. Although further studies will be required to determine the link between circadian phenotype and retinal abnormalities, our results nevertheless reveal potential biological mechanisms, including signalling pathways potentially linking the clock, photoreceptor generation and cell cycle control in the developing retina.

Position actuelle: Global scientific relations Manager, department of CNS, Retinopathies and Emerging Areas at Boehringer Ingelheim, Germany.

Thèse: équipe Lumière, vision et cerveau

Titre: Utilisation de CRISPR-Cas9 chez Psammomys obesus pour examiner la vulnérabilité des cônes aux mutations du gène Abca4 impliqué dans la maladie de Stargardt.

Résumé: La maladie de Stargardt 1 (STGD1) est une maladie autosomique récessive. Le gène dans lequel les mutations sont responsables a été identifié, Abca4, codant pour un membre de la super famille des cassettes de liaison à l’ATP, exprimé spécifiquement dans la rétine. L’objectif de ce projet est de comparer la vulnérabilité des photorécepteurs en bâtonnets et cônes à la perte d’Abca4 par une stratégie CRISPR-CAS9 utilisant un rongeur diurne. Le modèle animal, Psammomys obesus, est une espèce diurne riche en cônes dans laquelle les cônes sont représentés en grand nombre (~ 30-40% de photorécepteurs totaux), ressemblant plus étroitement à la macula humaine et permettant des détails structurels, fonctionnels et analyses biochimiques. Nous avons effectué des injections sous-rétiniennes de constructions Adeno-Associated Virus (AAV)-CRISPR-Cas9 chez Psammomys obesus, pour obtenir un Abca4 – KO. Une fois ayant confirmé la perte d’Abca4, pour analyser les conséquences fonctionnelles et morphologiques nous avons réalisé des analyses non invasives (électrorétinographie, tomographie par cohérence optique, imagerie du fond d’œil). Les yeux traités présentent une dégénérescence rétinienne étendue et rapide 2 mois après l’injection, comme le montre l’OCT, et l’enregistrement ERG a montré une baisse significative des réponses lumineuses photopiques (cônes). En conclusion, les rongeurs riches en cônes offrent un scénario unique pour explorer les changements moléculaires et cellulaires survenant dans les maculopathies humaines telles que STGD1, et devrait fournir un moyen précieux d’évaluer les stratégies thérapeutiques potentielles.

Title: Use of CRISPR-Cas9 in Psammomys obesus to examine the vulnerability of cones to mutations in the Abca4 gene involved in Stargardt disease.

Summary: Loss of central vision constitutes the major underlying reason for visual handicap in western industrialized nations. Stargardt’s Disease 1 (STGD1) is an autosomal recessive disease of early onset and severe visual handicap, representing the most frequent inherited macular degeneration. The gene in which mutations are responsible for STGD1 has been identified, Abca4, coding for a member of the ATP binding cassette super family, expressed specifically in retina. The aim of this project is to compare the vulnerability of rod and cone photoreceptors to Abca4 loss by a CRISPR-Cas9 strategy using a diurnal rodent. The animal model, Fat Sand Rat Psammomys obesus, is a diurnal cone-rich species in which cone photoreceptors are represented in large numbers (~30-40% total photoreceptors), more closely resembling the human macula, and allowing detailed structural, functional and biochemical analyses. We performed subretinal injections of Adeno-Associated Virus (AAV)-CRISPR-Cas9 constructs in Psammomys obesus, to obtain an Abca4 – KO. After confirming the loss of Abca4; to analyse the functional and morphological consequences to Abca4 loss we performed non-invasive imaging (Electroretinography, Optical coherence tomography, Fundus imaging). CRISPR-Cas9-Abca4 -/- treated eyes exhibit extensive and rapid retinal degeneration by 2 months post-injection, as seen by OCT, and ERG recording showed significant declines in photopic (cone) light responses.In conclusion, cone-rich rodents offer a unique scenario to explore molecular and cellular changes occurring in human maculopathies like STGD1, and should provide a valuable means to appraise potential therapeutic strategies.

Position actuelle : Post-doctorat
Institut: Institut des Neurosciences Cellulaires et Intégratives, UPR-3212, Strasbourg, France
Team leader (chef d’équipe): David Hicks

Thèse: équipe Contrôle peptidergique des émotions

Titre: Analyse in vivo de l’activité anti-hyperalgésique de molécules innovantes.

Résumé: Le traitement des douleurs est l’un des enjeux important du 21ème siècle, en effet le nombre de personne souffrant de douleurs chroniques dans le monde dépasse les 100 millions. Cependant le traitement de ces douleurs est complexe et la médecine est aujourd’hui extrêmement dépendante des analgésiques dérivés des opiaces, qui ont pourtant des effets secondaires particulièrement délétères. Ainsi, pour continuer à traiter les douleurs il est essentiel de développer des traitements alternatifs.
Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à explorer le potentiel analgésique de nouvelles molécules innovantes ciblant les systèmes analgésiques endogènes. J’ai ainsi pendant ma thèse pu caractériser le potentiel anti-hyperalgésique de deux molécules innovantes, le LIT-001 une issue de l’ingénierie du récepteur de l’ocytocine et la pulégone, un monoterpène analogue du menthol et pourtant largement sous étudié. Cette recherche s’est principalement basé sur une approche comportementale in vivo basé sur un modèle de douleur induite.

Title: In vivo analysis of the anti-hyperalgesic activity of innovative molecules.

Summary: The treatment of pain is one of the major challenges of the 21st century, as the number of people suffering from chronic pain in the world exceeds 100 million. However, pain treatment is complex and medicine is currently extremely dependent on opiate-based analgesics, which have particularly severe side effects. Thus, in order to be able to continue managing pain, it is essential to develop alternatives treatments. In this context, the aim of my thesis work was to explore the analgesic potential of new innovative molecules targeting endogenous analgesic systems. During my thesis, I was able to characterise the anti-hyperalgesic potential of two innovative molecules, LIT-001, a molecule derived from the engineering of the oxytocin receptor, and pulegone, a monoterpene analogue of menthol, although it remains considerably understudied. The research was mainly based on an in vivo behavioural approach using an induced pain model.

Position actuelle: Post-doctorat
Team leader : Prof. Dr. med. Andreas Vlachos
Institut: Institute of Anatomy and Cell Biology, University of Freiburg – Germany
Projet de recherche: Improving precision and real time monitoring of neurosurgery with diamond-based quantum sensors.

Title: Role of the retina in non-visual functions : processing of photoperiod-related information and impact of blue light on behaviour

Summary:

The intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) constitute a key interface in the regulation of our physiology and behaviours by light. First, this thesis demonstrates that the ipRGCs are sufficient to ensure a normal photoperiod integration. Mice without rods nor cones still encode photoperiod variation through melatonin secretion and display photoperiod-dependent locomotor activity changes. This is the first time we describe photoperiod-dependent changes of the ipRGCs. These data suggest that the retina itself could integrate the photoperiod locally, and thus constitute an adaptative mechanism to regulate both visual and non-visual functions depending on the seasons. Secondly, this thesis assessed the effects of screen overexposure and notably to blue light enrichment on aggressive/anxious behaviour. ipRGCs are particularly sensitive to blue light (460-480nm) and are connected to various brain structures involved in behaviour regulation. We show that exposure to a blue light-enriched environment can modify behaviour such as aggressiveness.

Titre: Rôle de la rétine dans les fonctions non-visuelles : traitement des informations relatives à la photopériode et impact de la lumière bleue sur le comportement

Résumé:

Les cellules ganglionnaires intrinsèquement photosensibles (ipRGCs) constituent une interface majeure dans la régulation de la physiologie et des comportements par la lumière. Ces travaux démontrent que la présence de ces cellules dans la rétine est suffisante pour permettre à des souris d’intégrer les variations saisonnières de la photopériode. De plus, nous décrivons des modifications dépendantes de la photopériode au sein des ipRGCs. Ces résultats suggèrent que la rétine pourrait intégrer les variations de la photopériode, afin d’assurer au mieux les fonctions visuelles et non-visuelles à travers les saisons. Par ailleurs, ces travaux ont exploré les effets de la surexposition aux écrans et notamment à un enrichissement en lumière bleue sur le comportement de type anxieux/agressif. Les ipRGCs, sensibles à la lumière bleue (460-480nm), sont connectées avec de nombreuses structures cérébrales impliquées dans la régulation des comportements. Nos résultats montrent qu’une exposition prolongée à un environnement enrichi en lumière bleue peut modifier les comportements de type agressif.

Title: Integrating reproduction and energy metabolism : a round way trip via RF-amide peptides

Summary:

Reproduction is a process that requires a tight and appropriate metabolic status to ensure the correct development and survival of the offspring. In nature, animals match and anticipate the environmental conditions with their energy supplies and the timing of gestation and delivery. We now know that the control of reproduction, food intake and body weight is centrally located in the hypothalamus. Two specific populations of RF-amide peptide-producing neurons, Kisspeptin and RFRP-3, are upstream to the control of the hypothalamic pituitary gonadal axis. In the last 16 years, these RF-amides have also been implicated in the control of food intake and body weight regulation. We studied the effects of these two peptides on energy metabolism in two animal models : the seasonal reproductive Djungarian hamster and the Wistar rat. Overall, we found clear effects of the RF-amides in the central nervous system on energy metabolism in both species. Djungarian hamsters showed changes in food intake and body weight, mainly in the adipose tissue, whereas the Wistar rats changed their food intake, lipid metabolism and glucose homeostasis. In addition, we showed that the hypothalamic expression of both RF-amides is also influenced by cold environment in rats and that metabolic seasonal adaptations are dampened by an obesogenic diet in the hamsters. With this thesis we confirm that kisspeptin and RFRP-3, originally described for their implication in the control of reproduction, are also involved in the central regulation of energy metabolism, which reinforces our hypothesis that these peptides play a role in the central coordination of reproductive and metabolic functions.

Titre: Intégration de la reproduction et du métabolisme énergétique : un voyage aller-retour des peptides RF-amides

Résumé:

La reproduction est un processus qui nécessite une état métabolique approprié pour assurer le développement et la survie correcte de la progéniture. Dans la nature, les animaux adaptent et anticipent les conditions environnementales afin de coordonner leurs approvisionnements énergétiques, avec le moment de la gestation et la naissance des petits. Nous savons maintenant que le contrôle de la reproduction, de la prise alimentaire et du poids corporel est situé dans l’hypothalamus. Deux populations spécifiques de neurones exprimant les peptides RF-amides, kisspeptine et RFRP-3, sont en amont du contrôle de l’axe hypothalamo-hypophysaire gonadique. Au cours des 16 dernières années, des travaux ont montré que ces RF-amides sont non seulement impliqués dans la reproduction mais aussi dans le contrôle de la prise alimentaire et du poids corporel. Nous avons étudié les effets de ces deux peptides sur le métabolisme énergétique dans deux modèles animaux : le hamster Djungarian dont la reproduction est saisonnière et le rat Wistar. Dans l’ensemble, nous avons constaté que l’administration des RF-amides dans le système nerveux central impacte le métabolisme énergétique des deux espèces. Les hamsters Djungarian présentent des changements dans la prise alimentaire et le poids corporel, principalement avec un effet majeur dans le tissu adipeux, alors que les rats Wistar modifient leur prise alimentaire, leur métabolisme lipidique et leur homéostasie du glucose. Par ailleurs, nous avons observé chez le rat que l’expression des RF-amides est influencé par l’environnement froid et les adaptations saisonnières métaboliques sont atténuées par un régime obésogène chez les hamsters. Avec cette thèse, nous confirmons que la kisspeptine et le RFRP-3, originalement décrits pour leur implication dans le contrôle de la reproduction, sont également impliqués dans la régulation centrale du métabolisme énergétique, ce qui renforce notre hypothèse que ces peptides jouent un rôle dans la coordination centrale des fonctions reproductives et métaboliques.

Title: Daily-, estral-and age – dependent regulation of RFRP-3 neurons and their role in luteinizing hormone secretion in female mice

Summary:

In this thesis, we provided evidence that RFRP-3 neurons act as a locus of relay for daily and ovarian cues that are conveyed to the HPG axis. We reported temporal changes in the RFRP-3 neuronal activity and in the density of AVP and VIP fiber projections on RFRP-3 neurons. We demonstrated that the RFRP-3 electrical activity exhibits estrous-stage dependent alterations with a higher spike frequency in proestrus. AVP application increases the RFRP-3 firing activity only at midday of the diestrus stage, while VIP had no effect during the day-to-night transition of either diestrus or proestrus. Finally, we demonstrated that during senescence the RFRP-3 expression decreases, while daily variations in both the RFRP-3 neuronal activity and the SCN output on RFRP-3 neurons were lost. Altogether, our findings highlight the requirement of a functional and well-synchronized circadian system for proper female reproduction and display the impact of RFRP-3 on the daily control of reproduction.

Titre: Régulation des neurones à RFRP-3 en fonction de la journée, du cycle estral et de l’âge et leur rôle dans la sécrétion de l’hormone lutéinisante chez les souris femelles

Résumé:

Dans cette thèse, nous avons démontré que les neurones RFRP-3 agissent comme un lieu de relais pour les signaux journaliers et ovariens qui sont transmis à l’axe HPG. Nous avons noté des changements temporels dans l’activité neuronale du RFRP-3 et dans la densité des projections des fibres AVP et VIP sur les neurones à RFRP-3. Nous avons démontré que l’activité électrique du RFRP-3 présente des altérations dépendantes du stade oestral avec une fréquence de spikes plus élevée en proestrus. L’application d’AVP augmente l’activité électrique du RFRP-3 uniquement en milieu de journée au stade du diestrus, tandis que le VIP n’a aucun effet pendant la transition jour-nuit. Enfin, nous avons démontré qu’au cours de la sénescence, l’expression du RFRP-3 diminue, tandis que les variations journalières de l’activité neuronale du RFRP-3 et de la sortie du SCN sur les neurones du RFRP-3 ont disparues. Nos résultats soulignent la nécessité d’un système circadien fonctionnel pour une bonne reproduction féminine et montrent l’impact du RFRP-3 sur le contrôle quotidien de la reproduction.

Title: Neuroendocrine mechanisms of seasonal control of reproduction, a step towards genetically modified animals

Summary:

For mammals, the annual variations of nocturnal production of melatonin by the pineal gland constitute a neuroendocrine calendar allowing animals to synchronize their reproductive activity with seasons to ensure springtime birth of the offspring. With this work we contribute to the understanding of the cellular and molecular mechanisms through which the seasonal message relayed by melatonin is integrated and synchronizes reproduction. We used genetically modified murine models to demonstrate the key role of the thyroid hormone receptor TRα in the melatonin-driven regulation of the hypothalamic neuropeptide RFRP-3, known to regulate reproductive functions. In addition, we found that this regulation involves non-neuronal, possibly tanycytic TRα. Considering the role of tanycytes as a hypothalamic neurogenic niche we hypothesized that the seasonal variations of RFRP-3 neurons could involve a T3 regulation of neurogenesis processes. However, despite a clear seasonal profile of cell proliferation in the Syrian hamster hypothalamus, it seems that none of the newborn cells differentiate into RFRP-3 neurons.

Titre: Mécanismes neuroendocrines de la saisonnalité, un pas vers des modèles génétiquements modifiés

Résumé:

Chez les mammifères, les variations annuelles de la production nocturne de mélatonine par la glande pinéale forment un calendrier neuroendocrine permettant de synchroniser la reproduction avec les saisons afin d’assurer la naissance des petits au printemps. Ce travail contribue à la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels le signal mélatoninergique est intégré dans l’organisme et synchronise la reproduction. A l’aide de modèles murins génétiquement modifiés nous avons démontré le rôle clé du récepteur aux hormones thyroïdiennes TRα dans la régulation par la mélatonine du neuropeptide hypothalamique RFRP-3 impliqué dans la reproduction. De plus, nous avons montré que cette régulation implique des TRα non-neuronaux, possiblement tanycytaires. Les tanycytes formant une niche neurogénique, nous avons fait l’hypothèse que la T3 régulerait des processus de neurogenèse à l’origine des variations annuelles de RFRP-3. Cependant, malgré un profil de prolifération cellulaire saisonnier dans l’hypothalamus du Hamster Syrien, aucune des cellules nouvellement formées ne semble se différencier en neurones à RFRP-3.

Title: Plasticity of inhibitory synaptic transmission in the spinal nociceptive system and its modulation by inflammation

Summary:

Networks of the dorsal horn of the spinal cord process nociceptive information from the periphery. Using electrohysiological recordings, the present work aimed to define the short-term plasticity (STP) of lamina II neurons inhibitory connections. The results obtained indicate 1) that GABAergic connections between the lamina II neurons express STP mechanisms that differ according to the frequency of stimulation of the presynaptic neuron, 2) as well as according to the nature of the postsynaptic neuron, 3) that these plasticities involve the activation of GABAB and/or A1 receptors and 4) that those plasticities are modified under peripheral inflammatory conditions.Target-specific and frequency-specific plasticities could then tune the balance between inhibition and disinhibition while processing frequency-coded information from primary afferents. These short-term plasticities and their modulation by A1 and GABAB receptors might represent an interesting target in pain-alleviating strategies.

Titre: Plasticité de la transmission synaptique inhibitrice dans le système nociceptif spinal et sa modulation par l’inflammation

Résumé:

Les informations nociceptives en provenance de la périphérie sont traitées dans la corne dorsale de la moelle épinière, puis elles sont projetées aux centres supra-spinaux où la perception douloureuse pourra être élaborée. L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier les phénomènes de plasticité synaptique à court-terme (STP) des synapses inhibitrices entre les neurones de la lamina II de la corne dorsale de la moelle épinière en réalisant des enregistrements électrophysiologiques. Les résultats obtenus indiquent 1) que les connexions GABAergiques entre les neurones de la lamina II expriment des mécanismes de STP qui diffèrent suivant la fréquence de stimulation du neurone présynaptique, 2) ainsi que selon la nature du neurone postsynaptique, 3) que ces plasticités mettent en jeu l’activation de récepteurs GABAB et/ou A1 et 4) que ces plasticités sont modifiées en conditions d’inflammation périphérique. Les STP mises en évidence pourraient avoir un impact sur la balance excitation/inhibition. Ces plasticités et leur modulation par les récepteurs GABAB et A1 pourraient représenter des cibles pour le développement de stratégies analgésiques.

Title: Implicit time in the cerebello-prefrontal network : a novel approach in mice

Summary:

A growing body of literature is showing an involvement of the cerebellum in managing time predictions and expectations of motor and cognitive events. On the other hand the medial prefrontal cortex (mPFC) is widely considered the area where there is the integration between internal models and cognition. Moreover, mPFC is involved in most of the models for time perception, making it an ideal candidate for handling predictive behaviors. Both tracing experiments and interval timing task highlighted a connection between these two areas. We thus developed a model to investigate the role of the cerebellum in the creation and update of implicit temporal predictions in mPFC of mice. We recorded the extracellular activity in the mPFC (specifically left prelimbic area, PrL) while the head-restrained mice perform the following variable foreperiod task : two cues are presented in a sequence followed by a reward delivered at either a fixed or a variable time point (randomly chosen between two possible delays). At the same time, we photoactivate cerebellar Purkinje cells of L7-Channelrhdopsin2 mice at specific frequencies, above contralateral Crus I. The aim of the optogenetic stimulation is to interfere with neuronal discharge in the mPFC. We confirm the foreperiod effect, already described in the literature, for which responses are faster and more accurate when an interval between a cue and a go signal/reward (foreperiod) is constant. Interestingly we report different behavior of two important prefrontal oscillations: delta (1.5-4Hz) and theta (4-10Hz). They show ramping behavior only when the foreperiod is variable and fixed, respectively. Moreover, cerebellar photostimulation affects these oscillations only if they are ramping. This is probably representative of different neural substrates recruited by the two foreperiod conditions.

Titre:

Résumé: Le temps implicite dans la boucle cérébello-préfrontale : une nouvelle approche chez la souris

Un nombre croissant de publications montre une implication du cervelet dans la gestion des prédictions temporelles et des attentes des événements moteurs et cognitifs. D’autre part, le cortex préfrontal médian (mPFC) est largement considéré comme la zone où se fait l’intégration entre les modèles internes et la cognition. De plus, le mPFC est impliqué dans la plupart des modèles de perception du temps, ce qui en fait un candidat idéal pour gérer les comportements prédictifs. Les expériences de traçage et la tâche de chronométrage par intervalles ont mis en évidence une connexion entre ces deux zones. Nous avons donc développé un modèle pour étudier le rôle du cervelet dans le développement et la mise à jour des prédictions temporelles implicites dans le mPFC des souris. Nous avons enregistré l’activité extracellulaire dans le mPFC (en particulier dans l’aire prélimbique gauche, PrL) pendant que les souris, la tête fixée, effectuaient la tâche suivante, de période antérieure variable : deux indices sont présentés dans une séquence suivie d’une récompense délivrée à un moment fixe ou variable (choisi au hasard entre deux délais possibles). En même temps, nous photoactivons des cellules de Purkinje cérébelleuses de souris L7-Channelrhdopsin2 à des fréquences spécifiques, au-dessus du Crus I controlatéral. Le but de la stimulation optogénétique est d’interférer avec la décharge neuronale dans le mPFC. Nous confirmons l’effet de la période antérieure, déjà décrit dans la littérature, pour lequel les réponses sont plus rapides et plus précises lorsque l’intervalle entre un indice et un signal de départ/récompense (période antérieure) est constant. Il est intéressant de noter que nous rapportons un comportement différent de deux oscillations préfrontales importantes : delta (1,5-4Hz) et thêta (4-10Hz). Elles présentent un comportement de rampe uniquement lorsque la période antérieure est variable et fixe, respectivement. De plus, la photostimulation cérébelleuse n’affecte ces oscillations que si elles présentent un comportement de rampe. Ceci est probablement représentatif des différents substrats neuronaux recrutés par les deux conditions de période antérieure.

Title: Treatment of neuropathic pain : preclinical evaluation of the THN101 combination, between amitriptyline and mefloquine

Summary:

Neuropathic pain is a health issue in aging countries such as France. Indeed, it has a significant impact on patients’ quality of life, both privately and professionally. Nowadays, first-line treatments are antiepileptics or antidepressants, notably amitriptyline. However, these treatments, which may take a long time to treat, are not systematically effective and may have disabling side effects. Therefore, the research aims to better understand the mechanisms of neuropathic pain and the mechanisms of action of its treatment. Several animal studies have shown glial remodeling during neuropathies involving gap junctions. However, the modulation of their transmembrane proteins has shown beneficial effects on painful symptoms in many models. Also, co-administration of amitriptyline and mefloquine (glial modulator) significantly improves the effects induced by amitriptyline alone, in vitro, or in vivo. The goal of this thesis was to determine the mechanisms of action of this combination in a preclinical model.

Titre: Traitement des douleurs neuropathiques : évaluation préclinique de la combinaison THN101, entre amitriptyline et méfloquine

Résumé:

Les douleurs neuropathiques représentent un enjeu de santé dans les pays vieillissants comme la France. En effet, leur survenue impacte significativement la qualité de vie des patients, sur les plans privé et professionnel. De nos jours, la prise en charge médicale de ces douleurs se fait en première intention avec des antiépileptiques ou des antidépresseurs, dont l’amitriptyline. Néanmoins, ces traitements, dont le délai thérapeutique peut être long, ne sont pas systématiquement efficaces ou entrainent des effets indésirables parfois invalidants. Par conséquent, les recherches visent à mieux connaître la physiopathologie des douleurs neuropathiques et les mécanismes d’action de leurs traitements. Un certain nombre d’études chez l’animal ont mis en évidence un remodelage glial lors de la mise en place des neuropathies, impliquant les jonctions communicantes. Or, la modulation des protéines transmembranaires qui les composent a montré des effets bénéfiques sur les symptômes douloureux dans de nombreux modèles. Aussi, la co-administration d’amitriptyline et de méfloquine (modulateur glial) permet d’améliorer significativement les effets induits par le traitement de référence seul, dans des modèles in vitro ou in vivo. L’objectif de cette thèse a été d’en déterminer les mécanismes d’action dans un modèle préclinique.

Thèse: équipe Sommeil, horloge, lumière & neuropsychiatrie

Title: The issue of insomnia complaints in general practice consultations : from the physician’s experience to the care perspectives

Summary:

This thesis explores in a spin-off from general medicine consultation four aspects of insomnia. It is built around a triptych combining general medicine, neurosciences and human and social sciences. The first part highlighted the subjectivity of the physician towards the complaint of insomnia. Those who took sleeping pills were more likely to prescribe them than their colleagues. The therapeutic response offered to patients reflected the physician’s care or neglect of one’ s own sleep. The second part analyzed 102 consultations with complaint of insomnia, extracted from 1188 consultations observed with mixed methodological design. An effect of the chronological course of the consultation on the prescription emerged, going from the complaint appearing early to the complaint at the end of the consultation. We evaluated the sleep diary, identifying the factors influencing the quality of the patients’ filling of these diaries. This enabled us to define the conditions for its use in general medicine. Light therapy fulfills theoretically interesting conditions for insomnia. The meta-analysis confirmed a beneficial effect on certain sleep criteria, its application remains to be specified.

Titre: La problématique de la consultation pour plainte d’insomnie en médecine générale : du vécu du médecin aux perspectives de soins

Résumé:

Cette thèse explore de manière centrifuge à partir de la consultation en médecine générale quatre aspects de l’insomnie. Il s’est construit autour d’un triptyque alliant médecine générale, neurosciences et sciences humaines et sociales. La première partie a étayé la subjectivité du médecin par rapport à la plainte d’insomnie. Ceux qui prenaient des somnifères les prescrivaient plus facilement que leurs confrères. La réponse thérapeutique proposée aux patients reflétait le soin ou la négligence que le médecin portait à son propre sommeil. La deuxième partie a analysé 102 consultations avec plainte d’insomnie, extraites de 1188 consultations observées avec un dispositif méthodologique mixte. Un effet du déroulement temporel de la consultation sur la prescription est apparu, de la plainte apparaissant précocement jusqu’à celle de fin de consultation. Nous avons évalué l’agenda du sommeil, et pu définir à partir des facteurs influençant la qualité du remplissage de ces agendas par les patients, des conditions pour l’utiliser en médecine générale. La luminothérapie remplit des conditions théoriquement intéressantes pour l’insomnie. La méta-analyse a confirmé un effet bénéfique sur certains critères du sommeil, sa mise en application reste à préciser.

Title: Impact of circadian disruption on female mice reproductive function

Summary:

In female mammals, cycles in reproductive function depend on both a biological clock synchronized to the light/dark cycle, and a balance between the negative and positive feedbacks of estradiol which concentration varies during ovary maturation. In women, studies report that chronodisruptive environments, notably those experienced in shiftwork conditions, may impair fertility and gestational success. The objective of this study was to explore, in female mice, the effects of shifted light/dark cycles on both the robustness of the estrous cycles and the timing of the preovulatory luteinizing hormone (LH) surge, two hallmarks of mammalian reproductive health. When mice were exposed to a single 10 h-phase advance or 10 h-phase delay, the occurrence and timing of the LH surge and estrous cyclicity were recovered at the third estrous cycle. By contrast, when mice were exposed to a chronic shift (successive rotations of 10 h-phase advance for 3 days followed by 10 h-phase delay for 4 days), they exhibited a severely impaired reproductive activity. Most mice had no preovulatory LH surge already at the beginning of the chronic shift. Furthermore, the gestational success of mice exposed to a chronic shift was reduced since the number of pups was two times lower in shifted as compared to control mice. In conclusion, this study reports that female mice exposure to a single-phase shift has minor reproductive effects whereas exposure to chronically disrupted light/dark cycles markedly impairs the preovulatory LH surge occurrence, leading to reduced fertility

Titre: Perturbation de la rythmicité circadienne : impact sur la fonction reproductive de souris femelles

Résumé:

Chez les mammifères femelles, la fonction reproductive dépend à la fois d’une horloge biologique synchronisée par le cycle lumière/obscurité et par un équilibre entre le rétrocontrôle négatif et positif des œstrogènes, dont les concentrations varient en fonction de la maturation folliculaire. Chez les femmes, un nombre croissant d’études signalent un impact négatif des environnements chronodisruptifs, comme le travail posté / de nuit, sur la fertilité. Les objectifs de mon travail étaient d’étudier les effets d’un décalage de phase unique ou chronique sur les cycles reproducteurs de souris (C57BL/6J) femelles adultes. Dans ce but j’ai 1) mis au point un modèle de suivi longitudinal (sur plusieurs mois) de la sécrétion de LH le jour du proestrus sur des individus uniques ; 2) analysé les effets d’une avance ou d’un retard de phase unique (10h) sur les cycles estriens et l’occurrence du pic préovulatoire de LH ; 3) analysé les effets d’avance/retard de phases chroniques (jusqu’à 9 mois) sur les cycles estriens, le pic préovulatoire de LH et la fertilité ; 4) mis au point d’injection intra-cérébro-ventriculaire (ICV) de peptides associée au suivi individuel de LH afin de proposer des méthodes de resynchronisation du pic préovulatoire de LH chez des souris soumises à des déphasages. Mes travaux montrent qu’une avance ou un retard de phase unique perturbe peu le cycle reproducteur des souris femelles jeunes tandis qu’un décalage chronique altère fortement à la fois la régularité des cycles estriens, la sécrétion préovulatoire de LH et la fertilité. Ces données fondamentales démontrent un impact négatif de la perturbation chronique des cycles journaliers sur l’axe reproducteur des souris femelles. Une extrapolation de nos données fondamentales chez la femme, notamment dans un contexte de travail posté, est à l’heure actuelle prématurée. Cependant, au vu de nos résultats, une étude prospective chez la femme est indispensable

Title: Interaction between the V0 subunit of V-ATPase and the exchange factor ARNO and its functional involvement in regulated exocytosis

Summary:

Lipids play key cellular functions and are involved in many human diseases and little information is available on their exact function. This is especially the case in neurosecretion that relies on the fusion of specific membrane organelle with the plasma membrane for which relatively little attention has been paid to the necessary role of lipids. Recent studies have established the importance of lipid compartmentalization at the exocytotic sites and validated the contribution of fusogenic lipids such as phosphatidic acid (PA) for membrane fusion. The V-ATPase is involved both in the charging of secretory vesicle and the membrane fusion for secretion of vesicle. Indeed, the V1 and V0 subdomains were shown to dissociate during stimulation allowing subunits of the vesicular V0 to interact with different proteins of the secretory machinery. We show here that V0a1 interacts with the exchange factor ARNO and promotes Arf6 activation during exocytosis in neuroendocrine cells. Interfering with the V0a1-ARNO interaction prevented phospholipase D (PLD) activation, phosphatidic acid synthesis during exocytosis, and altered the kinetic parameters of individual fusion events.We suggest that V1 dissociation from V0 could represent the signal that triggers the activation of the ARNO-Arf6-PLD1 pathway and promotes PA synthesis needed for efficient exocytosis in neuroendocrine cells.

Titre: Interaction entre la sous unité V0 de la V-ATPase et le facteur d’échange ARNO et son implication fonctionnelle dans l’exocytose régulée

Résumé:

Alors que s’accumulent des données épidémiologiques qui suggèrent une importance fondamentale des lipides de l’alimentation dans l’homéostasie cellulaire et le développement de nombreuses pathologies humaines, peu d’informations sur leurs fonctions spécifiques sont disponibles à ce jour. Ceci est particulièrement le cas pour la neurosecrétion qui dépend de la fusion d’organites vésiculaires avec la membrane plasmique. Des études récentes ont montré le rôle clé de la compartimentalisation lipidique au niveau des sites d’exocytose et par ailleurs validées la notion de lipides fusogéniques, comme pour l’acide phosphatidique (PA).La V-ATPase, via ses domaines V0 et V1 est à la fois impliquée dans le remplissage en neurotransmetteurs des vésicules, mais aussi dans leur fusion. Nous montrons ici que V0a1 interagit avec le facteur d’échange pour Arf6 ARNO. En bloquant cette interaction, nous avons observé une réduction de l’activation d’Arf6, de l’activité PLD et de l’exocytose, avec une modification de la cinétique des événements unitaires d’exocytose. Nous proposons que la dissociation de V1 de V0 pourrait représenter un signal permettant l’activation de la voie Arf6-ARNO-PLD1 et ainsi promouvoir la synthèse de PA requise à une exocytose efficace dans les cellules neuroendocrines.

Thèse: équipe Trafic membranaire intracellulaire dans les systèmes nerveux et endocrines

Title: Involvment of phosphatidic acid in membrane traffic : role and regulation of phospholipase D during phagocytosis and regulated exocytosis

Summary: The discovery of the involvement of lipids in membrane trafficking is one of the major recent progress in cell biology. My thesis work focused on phosphatidic acid (PA), the simplest phospholipid. PA synthesis by phospholipase D (PLD) plays a crucial role during phagocytosis and regulated exocytosis, but its precise dynamics, as well as the mode of action of the different PA species, remain unknown. I characterized three PA binding domains allowing a better understanding of the interaction between proteins and PA and leading to the generation of genetic sensors for PA in cells. Thus I could visualize PA synthesis during phagocytosis and identified that the small GTPase Arf6 regulates PLD activity and consequently PA synthesis. My work also reveals that PLD modulates several steps during exocytosis in neuroendocrine cells. Further lipidomics and rescue experiments allowed me to show that mono- and polyunsaturated forms of PA are involved in distinct steps of exocytosis.

Titre: Implication de l’acide phosphatidique dans le trafic membranaire : rôle et régulation de la phospholipase D au cours de la phagocytose et de l’exocytose régulée

Résumé: La mise en évidence du rôle des lipides dans le trafic membranaire fait partie des avancées majeures de ces dernières années. Mes travaux de thèse se sont focalisés sur le plus simple des phospholipides, l’acide phosphatidique (PA). La production de PA par la phospholipase D (PLD) joue un rôle crucial au cours de la phagocytose et l’exocytose régulée, mais la dynamique de sa formation, tout comme les mécanismes d’action des différentes formes de PA, restent à ce jour totalement inconnus. Durant mon doctorat, j’ai contribué à la caractérisation de trois domaines de liaison peptidique au PA, qui nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’interaction des protéines avec le PA et de générer des sondes moléculaires pour repérer ce lipide au sein des cellules. Ainsi, j’ai pu visualiser la production de PA au cours de la phagocytose et mis en évidence l’implication de la GTPase Arf6 dans la régulation de la synthèse de PA par la PLD. J’ai également pu montrer que la PLD est impliquée dans plusieurs étapes de l’exocytose dans des cellules neuroendocrines. Des expériences de lipidomique et de restauration ont révélé notamment que des formes mono- et polyinsaturées du PA contrôlent des étapes distinctes de l’exocytose que j’ai pu définir.

Title: Modular information processing in the cerebellar cortex

Summary: The cerebellum is essential for motor coordination and to learn new motor skills. In the cerebellar cortex, information processing is based on a modular organization: each module is involved in the control of specific motor units. Localized lesions of the cerebellum impair coordinated movements in only one part of the body and lead to movement disorders like ataxia. This project aims to understand how cerebellar modules communicate, process incoming information and how they relate to coordinated movements in mice. We combine optical and electrophysiological approaches in vitro in order to determine the functional synaptic maps between different modules. The development of these maps revealed that the establishment of connections between distant modules coincide with the appearance of motor coordination in mice. Using models of motor alteration, we showed that synaptic maps are reorganized following motor adaptation. The results bring new hypotheses about the control of motor coordination in normal and pathological conditions. Future directions will be to assess how a specific activation of identified modules may compensate for motor impairments.

Titre: Traitement modulaire de l’information dans le cortex cérébelleux : vers la causalité entre l’organisation synaptique fonctionnelle et le comportement moteur

Résumé: Le cervelet est indispensable à la coordination motrice ainsi qu’au maintien de la posture. Le traitement de l’information dans le cortex cérébelleux repose sur une organisation modulaire : chaque module est impliqué dans le contrôle de muscles spécifiques. Des lésions focales du cervelet entrainent des troubles moteurs dans une région précise du corps, conduisant à des pathologies telles que l’ataxie. Ce travail vise à comprendre comment les modules cérébelleux traitent l’information sensorimotrice, communiquent entre eux et leur implication dans la coordination motrice chez la souris. Des approches optiques et électrophysiologiques ont permis d’établir les cartes de connexions synaptiques entre différents modules. L’étude du développement de ces cartes a démontré que la mise en place des synapses entre des modules distants coïncide avec l’émergence de la locomotion. L’emploi de modèles de perturbation de la locomotion a démontré que les cartes synaptiques sont réorganisées suite à l’adaptation de la coordination motrice. Ce projet apporte de nouvelles hypothèses quant au contrôle de la coordination motrice en conditions normales et pathologiques.

Title: Longitudinal analysis of brain networks by magnetic resonance imaging (MRI) in a murine model of neuropathic pain-induced depression

Summary:

Chronic pain conditions frequently lead to anxiety and depressive disorders. Despite considerable clinical research, the mechanisms underlying this comorbidity remain elusive. We conducted a non-invasive brain imaging study to investigate changes in structural and functional connectivity in a mouse model of neuropathic pain-induced depression. We employed two methods of magnetic resonance imaging (MRI) to investigate functional communication pathways (using resting state functional MRI-rs-fMRI) as well as their microstructural substrates (diffusion MRI) in longitudinal manner. Brain networks demonstrate remarkable structural and functional modifications following the induction of neuropathic pain and the emergence of depressive phenotype. Combining a relevant preclinical model and in vivo brain MRI, we identified a brain connectivity signature of pain-induced depression and its evolution over time, involving alterations in reward circuits, with a major impact of the two centers: ACA and VTA. The main results of functional imaging reveal considerable changes in the networks encompassing the reward circuit and DMN, which are known to be involved in both chronic pain pathologies and major depression. The long-term perspective of this project is to investigate the causal relationship between pain and depression, reaching a mechanistic explanation for the comorbidity.

Titre: Analyse longitudinale des réseaux cérébraux par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM) dans un modèle murin de dépression induite par la douleur neuropathique

Résumé:

Les douleurs chroniques développent souvent des troubles de l’anxiété et des états dépressifs. Malgré des recherches cliniques considérables, les mécanismes sous-jacents à cette comorbidité restent inconnus. Nous avons mené une étude d’imagerie non-invasive, par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM), pour étudier les changements dans la connectivité structurelle et fonctionnelle dans un modèle murin de dépression induite par la douleur neuropathique. Nous avons utilisé deux méthodes d’IRM pour étudier les voies fonctionnelles de communication (en utilisant l’imagerie fonctionnelle de repos-IRMfr) ainsi que leurs substrats microstructuraux (imagerie du tenseur de diffusion) de manière longitudinale. Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet démontrent des modifications structurels et fonctionnels remarquables des réseaux cérébraux suite à l’induction de la douleur neuropathique et à l’émergence de comportements dépressifs. En combinant un modèle animal pertinent et l’IRM cérébrale in-vivo nous avons identifié la signature de la dépression induite par la douleur et son évaluation longitudinale sur la connectivité cérébrale, impliquant des altérations dans le cadre des circuits de la récompense, avec un impact majeur sur la connectivité des deux centres : le CCA et l’ATV. Les résultats principales d’IRLfr montrent une modification considérable dans les réseaux englobant le MPD et le circuit de récompense, qui sont impliqués à la fois dans les pathologies de la douleur chronique et de la dépression. Il est maintenant nécessaire d’étudier la relation causale entre la dépression induite par la douleur et ses changements fonctionnels qui font partie de la perspective long-termes de ce projet.

Title: A study of mouse central extended amygdala : general connectivity and cell-type specific circuits ; functional implications in pain

Summary:

Central extended amygdala (EAc) is a forebrain macrosystem that plays important roles in fear, anxiety and pain. The two key components, the lateral bed nucleus of stria terminalis (STL) and central nucleus of amygdala (CeA), are highly similar in their neurochemical, connectional, and functional features. Despite this simplified view of STL and CeA, much remains elusive of the mesoscopic inputs and outputs of EAc subdivisions in mouse model. Also, it is not known whether the connectional similarities are also shared at cellular level. Here, we addressed these question in comparative ways in mice. We found rich preferential inputs and outputs to different subdivisions of EAc, as well as convergent and divergent inputs. We also found two non-overlapping cell groups expressing either protein kinase C delta (PKCδ) or somatostatin (SOM) organize the parallel cell-type specific neuronal circuits in STL and CeA. Finally, preliminary data suggest that PKCδ in STL and CeA might be implicated in tonic pain. These parallel but also differential structural organizations of neuronal circuits in EAc might underlie similar and dissociable functional aspects of anxiety, fear and pain.

Titre: Etude anatomique de l’amygdale étendue centrale chez la souris : connectivité générale et circuits cellule-spécifiques ; implications fonctionnelles dans la douleur

Résumé:

L’amygdale centrale (EAc) est un macrosystème du cerveau antérieur qui joue un rôle important dans la peur, l’anxiété et la douleur. Les deux composants clés, le noyau latéral du lit de la strie terminale (STL) et l’amygdale centrale (CeA), possèdent des caractéristiques neurochimiques, hodologiques et fonctionnelles très similaires. En dépit de cette vision simplifiée du STL et du CeA, de nombreuses questions résident quant à l’organisation mésoscopique des entrées et des sorties des subdivisions de l”EAc chez la souris. En outre, il reste à déterminer si ces similitudes de connexion sont également partagées au niveau cellulaire. Dans ce travail, nous avons abordé ces questions de manière comparative chez la souris. Nous avons trouvé de riches afférences et efférences préférentielles pour les différentes subdivisions de l’EAC, ainsi que des afférences convergentes et divergentes. Nous avons également mis en évidence deux groupes distincts de cellules exprimant la protéine kinase C delta (PKCδ) ou la somatostatine (SOM) qui sous-tendent des circuits neuronaux spécifiques parallèles dans le STL et le CeA, ainsi qu’entre les deux structures. Enfin, des données préliminaires suggèrent que les neurones exprimant la PKCδ dans le STL et le CeA pourraient être impliqués dans la douleur tonique. Ces organisations structurales parallèles, mais aussi différentielles, des circuits neuronaux dans le EAc pourraient sous-tendre des aspects fonctionnels similaires et dissociables de l’anxiété, de la peur et de la douleur.

Title: Ethology and biological rhythms of the cat

Summary:

Biological rhythms are of importance for living organisms as they help to schedule most behavioural processes within the most suitable temporal window. Literature on daily rhythmicity is scarce and conflicting regarding domestic cats. To sharpen our knowledge on the subject, we used advanced telemetry technologies to record and characterise the daily rhythms of locomotor activity and feeding in cats according to the seasons and housing conditions. The cats were sensitive to photoperiod and to human presence. Along 24-hour periodicity, they displayed bimodality in their daily patterns, with mid-day and mid-night troughs of locomotor activity and food consumption. The two main activity/eating periods corresponded to dawn and dusk at each season, regardless of the twilight timings, confirming the crepuscular intrinsic nature of the species. The feeding rhythm of the cats was more variable daily than their locomotor activity one, recalling the opportunistic character of this predator. Cats displayed plasticity in their behaviour, such as weaker daily rhythms and more nocturnal exploratory behaviour outdoors, compared to indoors where they were more prone to routine. Our results open new avenues for developing nutritional and housing guidelines fitted to the rhythms of the cats according to their way of life.

Titre: Ethologie et rythmes biologiques du chat

Résumé:

Les rythmes biologiques aident les organismes vivants à programmer la plupart des processus comportementaux dans la fenêtre temporelle la plus appropriée. Les données de la littérature sur la rythmicité du chat domestique sont rares et conflictuelles. Pour approfondir nos connaissances sur le sujet, nous avons utilisé de récentes technologies de télémétrie pour enregistrer et caractériser les rythmes journaliers d’activité locomotrice et de prises alimentaire chez des chats en fonction des saisons et des conditions d’hébergement. Les rythmes des chats étaient modifiés par la photopériode et la présence humaine. Suivant une périodicité de 24 heures, ils ont affiché une bimodalité dans leurs rythmes quotidiens, avec des creux d’activité locomotrice et de consommation au milieu de la journée et de la nuit. Les deux périodes principales d’activité/alimentaires correspondaient à l’aube et au crépuscule à chaque saison, indépendamment de leur horaire, confirmant la nature intrinsèque crépusculaire de l’espèce. Le rythme alimentaire des chats était plus variable au cours du cycle que celui de leur activité locomotrice, rappelant ainsi le caractère opportuniste de ce prédateur. Les chats ont présenté une plasticité comportementale caractérisée par des rythmes plus faibles et un comportement d’exploration plus nocturne en milieu extérieur qu’en milieu intérieur, au sein duquel ils étaient plus enclins à la routine. Nos résultats ouvrent la voie au développement de solutions nutritionnelles et des recommandations d’hébergement adaptées aux rythmes du chat en respectant les besoins physiologiques de l’animal.

Title: Implication of the TSH/T3 dependent hypothalamic pathway in the seasonal reproduction of Djungarian (Phodopus sungorus) and Syrian (Mesocricetus auratus) hamsters

Summary:

In hamsters, reproduction is activated by long days. This photoactivation (PA) supposedly involves melatonin, hypothalamic thyroid hormones (TH) and RFamide peptides. Maintaining inhibitory short days for over 20 weeks triggers a photorefractory reactivation of the hypothalamo pituito gonadotropic axis (HPG) The mechanisms of this PR are so far unknown. Our cinetic analysis of the dynamic molecular changes in PA and PR revealed a conserved early inhibition of tanycytic deiodinase 3 (Dio3), which catabolizes TH, in both activation mechanisms. Associated with a late decrease of the TH transporter MCT8, the inhibition of Dio3 could generate an early peak of hypothalamic TH. In both activations, RFamide upregulation occurs several weeks after the initial Dio3 inhibition. Also, pharmacological inhibition of RFRP3 during PA does not influence the HPG activity, questioning the role of RFRP3 in HPG activation. We have thus uncovered a so far unreported early Dio3 inhibition that could be sufficient to seasonally reactivate the gonadotropic axis. The seasonal regulator of Dio3 remains to be discovered.

Titre: Rôle de la signalisation hypothalamique TSH/T3 dans la reproduction saisonnière chez les hamsters Djungariens (Phodopus sungorus) et Syriens (Mesocricetus auratus)

Résumé:

Chez les hamsters, les jours longs activent la reproduction. Cette activation photopériodique (AP) impliquerait la mélatonine, l’hormone thyroïdienne (HT) et les RFamides hypothalamiques. Si les jours courts inhibiteurs sont maintenus au-delà de 20 semaines, une réactivation photoréfractaire (RP) de l’axe hypothalamo pituitaire gonadotrope (HPG) est déclenchée. Les mécanismes de cette RP sont inconnus. Notre analyse de la cinétique des changements moléculaires induits par l’AP et la RP montre dans les deux cas une inhibition précoce de l’expression de la Désiodinase 3 (Dio3), l’enzyme catabolisant les HT, dans les tanycytes. Associée à une inhibition tardive du transporteur MCT8 des HT, la diminution de Dio3 pourrait créer un pic d’HT dans l’hypothalamus. Dans les 2 activations, Kisspeptine et RFRP3 augmentent plusieurs semaines après l’inhibition de Dio3 et l’activation de l’HPG. Aussi, une inhibition d’RFRP3 lors de l’AP n’affecte pas l’HPG, mettant en cause le rôle du RFRP3. Nous avons donc découvert une inhibition précoce de Dio3 pouvant induire l’activation saisonnière de l’HPG. Le régulateur saisonnier précoce de Dio3 reste à découvrir.

Title: Gene expression profiling during hibernation in the European hamster : roles of melatonin receptors ?

Summary:

Living in the wild involves to cope with a variable seasonal environment availability. When winter is coming, animals use various strategies to adapt to hostile environment by limiting energy expenditure such as hibernation. In this study, expression of 21 selected genes was compared at different states of the hibernation cycle of the true hibernator European hamster. Level of mRNA encoding proteins involved in seasonal timing (melatonin receptors, thyroid metabolism, clock) and energy homeostasis were measured by digital droplet PCR in eight central and peripheral organs. During the arousal phase, Periods genes expression is increased in all organs indicating a possible resetting of body’s clocks at the beginning of the active period. The brown adipose tissue displays a specific regulation of deiodinases leading to increased synthesis of thyroxine during both torpor and arousal. The melatonin receptor MT2 of the European hamster had been partially cloned and pharmacologically characterized. While in most hamster species, MT2 is a natural knock out, the studied receptor seems to be functional and could be critical during hibernation.

Titre: Variation de l’expression génique au cours de l’hibernation du hamster d’Europe : un rôle des récepteurs à la mélatonine ?

Résumé:

Afin de faire face aux conditions environnementales défavorables, certains animaux réduisent drastiquement leur activité métabolique et leur température grâce à des phases de torpeur hivernal. L’objectif de cette étude est d’établir une signature moléculaire de chacune des phases d’hibernation. Pour cela, les variations d’expression de 21 gènes impliqués dans le contrôle des fonctions saisonnières (horloge circadienne, hormones thyroïdiennes, récepteurs à la mélatonine) et le métabolisme ont été étudiées dans 8 organes. Les résultats ont mis en évidence une augmentation ubiquitaire de l’expression des gènes Périodes indiquant un possible réajustement de l’horloge au début de la phase de réveil. Ainsi qu’une régulation spécifique des déiodinases induisant une augmentation de la synthèse de thyroxine dans le tissu adipeux brun et l’hypothalamus pendant la torpeur et le réveil. Le récepteur MT2 du hamster d’Europe a été partiellement caractérisé génétiquement et pharmacologiquement. A la différence d’autres espèces de hamster dont le récepteur MT2 est tronqué, le récepteur étudié semble être fonctionnel pour la mélatonine et pourrait être critique durant l’hibernation.

Title: Identification of the anterior cingulate cortex area 24 in the context of anxiodepressive-like phenotypes development in the mouse : implication of the amygdalo-cingulate pathway

Summary: The anterior cingulate cortex (ACC) is a prefrontal region located at the center of a network allowing the sharing of cognitive, motor, limbic and visceral information, placing it as an interesting target for the study of complex pathologies like mood disorders. To investigate these diseases in mice, we provided the complete connectome of each ACC areas by a tract-tracing approach. We demonstrated that the majority of structures constituting this connectome are reciprocally connected with the ACC and that some density and topographical connection specificities were observed among cingulate areas. These results potentially suggest some shared functions between cingulate areas, also completed by specific roles inherent to each area. Using this connectome, we demonstrated that the repeated activation of the amygdala projection to the ACC was able to induce anxiodepressive-like behaviors in naïve mice, by using optogenetics combined with behavioral tests. This study highlights for the first time the implication of a portion of the ACC connectome in the establishment of mood disorders.

Titre: Identification du connectome de l’aire 24 du cortex cingulaire antérieur dans le contexte du développement de phénotypes de type anxio-dépressif chez la souris : implication de la voie amygdalo-cingulaire.

Résumé: Le cortex cingulaire antérieur (CCA) est une région préfrontale située au centre d’un réseau permettant l’échange d’informations cognitives, motrices, limbiques et viscérales, la plaçant ainsi comme un sujet incontournable dans l’étude de pathologies complexes telles que les troubles anxio-dépressifs.
Afin de pouvoir aborder ces pathologies chez la souris, nous avons établi par traçage neuronal le connectome complet des différentes aires composant le CCA.
Nous avons ainsi montré qu’une grande majorité des structures de ce connectome communique de manière réciproque avec cette région et que, selon les aires cingulaires, des spécificités de densité d’innervation et de topographie peuvent exister.
Ceci suggère des fonctions partagées mais également des rôles plus spécifiques à chaque aire.
A partir de ce connectome, nous avons ensuite montré, par une approche optogénétique associée à des tests comportementaux, que l’activation répétée de la projection de l’amygdale au CCA est susceptible d’induire des comportements de type anxio-dépressif chez des souris naïves.
Ce travail met donc en évidence le rôle d’une partie du connectome du CCA dans l’établissement des troubles de l’humeur.

Title: Corticospinal circuit characterisation and it’s implication in sensorimotor integration

Summary: A coordinated movement relies not only on a proper motor command, but also on the online analysis of a constant multi-sensory feedback. It has recently been hypothesized that the corticospinal tract (CST) could be responsible for such functions. The goal of my thesis was to unravel how the cortical filtering of sensory inputs hinges on the cortical motor command to produce well-coordinated behaviors. By sequentially investigating different stages of the corticofugal circuits, we found that both the motor and sensory control both originate from the same cortical area but then follow segregated paths. We showed that the hindlimb motor command is mainly relayed through subcortical supraspinal motor centers, and is only partly encoded by the CST via a propriospinal relay in the rostral spinal cord. In contrast, corticospinal neurons are essential for sensory control and execute it directly through a population of lumbar interneurons. This new understanding of the functions of the CST is fundamental for the study of diseases such as amyotrophic lateral sclerosis.

Titre: Caractérisation de la voie cortico-spinale et son implication dans l’intégration sensori-motrice

Résumé: Un mouvement coordonné repose non seulement sur une commande motrice appropriée, mais aussi sur l’analyse en direct des informations multi-sensorielles reçues. Le tractus cortico-spinal (CST) est soupçonné d’être responsable de ces fonctions. Le but de ma thèse a été de comprendre comment le contrôle cortical des entrées sensorielles s’organise autour de la commande motrice pour produire des comportements coordonnés. En étudiant les voies corticofuges, nous avons découvert que les contrôles moteur et sensoriel proviennent de la même zone corticale mais suivent ensuite des voies séparées. Nous avons montré que la commande motrice des membres postérieurs est principalement relayée par les centres moteurs supra-spinaux sous-corticaux, et n’est que partiellement encodée par le CST via un relais proprio-spinal rostral. En revanche, les neurones cortico-spinaux sont essentiels pour le contrôle sensoriel, qu’ils réalisent directement par l’intermédiaire d’une population d’interneurones lombaires. Cette nouvelle compréhension des fonctions de la voie cortico-spinale est fondamentale pour l’appréhension des maladies affectant le CST.

Presentation

Frédéric Doussau (CRHC)

Bernard Poulain (DRCE, HDR)

Théo Gagneux

Pierre Le Cabec

Jérome Wandhammer

Rajat Chandra Mishra

Christopher Small