Rôle des récepteurs nicotiniques des circuits de l'addiction à la nicotine : une manipulation originale des récepteurs grâce à la lumière

The global increase in tobacco-related diseases remains a major public health problem. Nicotine, the main active substance in tobacco, acts exclusively on nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs). Twelve nAChR subunits (α2-10 and β2-4) are expressed in the central nervous system, and assemble into pentamers of various combinations, generating a wide variety of receptors with different pharmacological properties, locations and functions. In addition to its undeniable and well-described role in reinforcement, nicotine can also trigger aversion in individuals. These opposing effects may rely on the activation of nAChRs expressed within distinct neural circuits, and are predictive of the risk to develop habitual tobacco use in first time smokers. Understanding the role of the different nAChR isoforms and the circuits in which they are expressed has been a major challenge in the field, and one main aim of this work. In the first part of my thesis, we developed light-controllable nAChRs (LinAChRs) that function normally in darkness or under green light (500 nm) and are rapidly inhibited under violet light (380 nm). We implemented this technology in vivo, in the ventral tegmental area, a dopaminergic nucleus that plays a key role in reinforcement and addiction. Blocking β2-containing nAChRs revealed that the endogenous acetylcholine tone sets the activity of dopaminergic neurons, and abolished nicotine reinforcement in mice. In the second part of my thesis, I was interested in the molecular and cellular mechanisms involved in the regulation of nicotine consumption. To this aim, I set up a task based on voluntary nicotine consumption and developed an analytical method that accounts for the behavioral variability of mice. I observed that a significant fraction of the mice developed spontaneous and dose-dependent aversion to nicotine. I could show that chronic nicotine treatment decreases the functional expression of β4 nAChRs in the interpeduncular nucleus, and that such downregulation, in turn, impacts both nicotine aversion and nicotine consumption. My work suggests that nicotine reward and aversion involve distinct receptors and circuits. My work also focuses on the development of new optical technologies to understand how the dynamics of receptor activation lead to changes in neuronal activity in specific circuits, and to addictive behaviors.L’accroissement mondial des maladies liées au tabac reste un problème majeur de santé publique. La nicotine, principale substance active du tabac, agit exclusivement sur les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChR). Dans le système nerveux central, il existe douze sous-unités nicotiniques (α2-10 et β2-4) qui s'assemblent en pentamères selon diverses combinaisons, ce qui génère une grande diversité de récepteurs ayant des propriétés pharmacologiques, des localisations et des fonctions différentes. Outre son rôle indéniable et très bien décrit dans le renforcement, la nicotine peut également déclencher une aversion chez les individus. Ces effets opposés pourraient reposer sur l'activation de nAChR au sein de circuits neuronaux distincts, et sont prédicteurs, lors de la première expérience d’inhalation de tabac, des risques de développer une addiction à la nicotine. Comprendre le rôle des différents isoformes de nAChR et des circuits dans lesquels ils sont exprimés a été un défi majeur dans ce domaine, et un des questionnements de ce travail. Lors de la première partie de ma thèse, nous avons mis au point des nAChR contrôlables par la lumière (LinAChR) qui fonctionnent normalement dans l'obscurité ou sous une lumière verte (500 nm) et sont rapidement inhibés sous une lumière violette (380 nm). Nous avons implémenté cette technologie in vivo, dans l’aire tegmentale ventrale, un noyaudopaminergique qui joue un rôle clé dans le renforcement et la dépendance. Le blocage des LinAChR β2 par la lumière a révélé l’impact du tonus cholinergique endogène sur l'activité spontanée des neurones dopaminergiques, et a permis d’abolir le renforcement à la nicotine chez les souris. Lors de la seconde partie de ma thèse, je me suis intéressée aux mécanismes moléculaires et cellulaires qui sont impliqués dans la régulation de la consommation de nicotine. Pour cela, j'ai mis en place une tâche qui repose sur la consommation volontaire de nicotine, et développé une méthode d'analyse qui rend compte de la variabilité comportementale des souris. J'ai ainsi observé qu’une partie des souris développe une aversion spontanée et dose-dépendante à la nicotine. J'ai pu montrer qu'un traitement chronique à la nicotine diminue l'expression fonctionnelle des nAChR β4 dans le noyau interpédonculaire, et que cette régulation à la baisse impacte à la fois l'aversion à la nicotine et sa consommation. Les travaux que j’ai menés suggèrent que la récompense et l'aversion à la nicotine impliquent à la fois des récepteurs et des circuits neuronaux distincts. Mes travaux mettent aussi l'accent sur le développement de nouvelles technologies optiques pour comprendre comment la dynamique d'activation des récepteurs conduit à des modifications d’activité dans des circuits spécifiques, et à des comportements liés à la dépendance