L'unité de recherche EA4612 de l'Université Claude Bernard Lyon 1 s'intéresse à la physiopathologie des troubles du rythme cardiaque, en particulier d'origine héréditaire. Nous avons étudié des mutations de gène de canaux ioniques découvertes chez des patients hétérozygotes atteints d'un syndrome du QT long ou de bradycardie sinusale et de fibrillation atriale. La mutation R148W du gène hERG diminue le courant maximal de 29%. Dans un modèle mathématique, ceci allonge la durée du potentiel d'action ventriculaire, ce qui pourrait rendre compte du phénotype QT long des porteurs. La mutation F627L du gène hERG se situe au centre du motif de sélectivité ionique (GFG) de la protéine hERG. Elle cause une perte de la sélectivité ionique du courant, de la propriété d'inactivation et de la sensibilité aux bloqueurs spécifiques. Ainsi, la présence du groupement aromatique de la chaîne latérale semble essentielle au maintien des propriétés du canal. La mutation Q1476R du gène SCN5A provoque un gain de fonction du courant sodique persistant. Dans un modèle de cellule cardiaque ventriculaire humaine, nous montrons une surcharge sodique intracellulaire pouvant protéger de l'allongement de la durée du potentiel d'action ventriculaire. La mutation D600E du gène HCN4 accélère la désactivation, ce qui pourrait causer une bradycardie. Par ailleurs, la mutation abolit la réponse à la suppression de l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) intracellulaire. La mutation V501M du gène HCN4 cause une perte totale de courant à l'état homozygote. A l'état hétérozygote, l'amplitude moyenne du courant est inchangée par rapport au WT. Cependant, un décalage négatif de la courbe d'activation rendrait compte de la bradycardie des patients porteurs / The EA4612 unit of the University Lyon 1 focuses on the pathophysiology of heart rhythm disorders, especially hereditary. We studied ion channel gene mutations discovered in heterozygote patients with long QT syndrome or sinus bradycardia and atrial fibrillation.The R148W mutation of the hERG gene decreases the maximum current by 29%. In a mathematical model, this lengthens the duration of the ventricular action potential, which could account for long QT phenotype of the patients. The F627L mutation of the hERG gene is in the center of the ion selectivity filter (GFG) of the hERG protein. It causes a loss of the ionic selectivity of the current, the inactivating property and sensitivity to specific blockers. Thus, the presence of this aromatic group of the side chain seems to be essential to the maintenance of the channel properties. The mutation Q1476R in the SCN5A gene causes a gain-of-function of the persistent sodium current. In a model of human ventricular heart cells, we show an intracellular sodium overload that can protect against the lengthening of the duration of the ventricular action potential. The D600E mutation of the HCN4 gene accelerates deactivation, which could cause bradycardia. Moreover, the mutation abolishes the response to the suppression of intracellular cyclic adenosine monophosphate (cAMP). The V501M mutation of the HCN4 gene causes a total loss of current in the homozygous state. In the heterozygous state, the average amplitude of the current is unchanged from the WT. However, a negative shift of the activation curve would account for bradycardia in patients

L’apprentissage social améliore les performances non seulement chez l’homme et les primates non humains, mais aussi chez un grand nombre d’espèces. Chez le singe, les corrélats neuronaux de l’apprentissage individuel sont parfaitement connus, mais ceux de l’apprentissage social font cependant défaut, en partie à cause des conditions dans lesquelles il a été étudié, jusqu’à maintenant et qui n’étaient pas compatibles avec les enregistrements neuronaux. Ce travail aborde deux questions d’actualité : Les singes peuvent-ils apprendre par observation dans les conditions contraignantes de l’électrophysiologie ? L’apprentissage social est-il médié par les mêmes mécanismes et circuits cérébraux que l’apprentissage individuel par renforcement ? Nos résultats ont montré que les singes apprennent plus rapidement de l’expérience du model que de leur propre expérience, et que le bénéfice est plus important après observation des erreurs que des succès. L’activité neuronale du cortex préfrontal est modulée de façon parallèle aux résultats comportementaux. Nous proposons que l’apprentissage associatif, qu’il soit basé sur l’expérience individuelle ou celle d’autrui, implique les mêmes réseaux cérébraux incluant les cortex préfrontal, et qu’il est probablement médié par les mêmes mécanismes neuronaux de la prédiction de l’erreur durant l’apprentissage par renforcement. / Social learning improves the performance not only in humans and non-human primates, but in a host of animal species as well. In monkeys, the neuronal correlates of individual learning are well understood, but those of social learning are lacking partly because it has been addressed, so far, in conditions not compatible with neuronal recordings. Do monkeys learn by observation under the constraining conditions of electrophysiology? Is social learning mediated by the same brain circuits and mechanisms as individual, reinforcement based learning? This work addressed these two timely questions. Our findings showed that monkeys learn faster from the model’s experience than from their own experience, and that they benefit more from observed errors than from successes. Neuronal processing of observed errors in the prefrontal cortex parallels this behavioral result. We suggest that associative learning, whether based on individual or others’ experience, involves the same brain networks including prefrontal cortex, and is probably mediated by the same neuronal mechanisms of error prediction during reinforcement-based learning.

Les noyaux gris centraux (ganglions de la base en anglais) sont un réseau de structures sous-corticales dont la persistance dans l'ensemble des vertébrés plaide en faveur d'une fonction clef au cours de l'évolution. Comme ce fut remarqué dès le 18ème siècle, ils ont l'unique particularité de concentrer des afférences de l'entièreté de la surface corticale. Cette position centrale et l'analyse de l'anatomie du réseau leur ont valu le rôle d'arbitre central du cerveau, réglant les conflits entre processus neuronaux concomitants bien qu'incompatibles. Au sein du réseau, le noyau subthalamique jouit d'une notoriété particulière. Ce noyau, sur la base de ses afférences corticales, et en vertu de ses projections sur le soma des neurones pallidaux, aurait pour fonction de filtrer les programmes comportementaux codés par le striatum et concourant pour leur expression. Rapporté aux théories de la prise de décision, le noyau subthalamique fixerait le seuil décisionnel, ou la quantité d'information à accumuler en faveur d'une option comportementale afin qu'elle soit exprimée. Mais si ce petit noyau est devenu si célèbre, c'est surtout qu'il est la cible d'une procédure chirurgicale spectaculaire: la stimulation cérébrale profonde. Cette opération du cerveau est le dernier recours pour les patients souffrant d'une maladie de Parkinson ou d'un trouble obsessionnel compulsif sévère. Elle parvient même parfois à faire disparaître leurs symptômes. Malgré cette efficacité remarquable, les mécanismes de la stimulation cérébrale profonde restent inconnus. Il faut, entre autres, blâmer l'obscurité qui règne encore sur le noyau subthalamique, car les fonctions mentionnées ci-dessus restent des conjectures théoriques en manque de validation expérimentale. La première étape de ce travail a été d'en valider les bases anatomiques. En effet, l'existence d'une voie fronto-subthalamique - nécessaire au modèle - n'était connue que sur la base d'études menées chez le rat. Nous avons démontré, par des méthodes de traçage axonal, l'existence de cette connexion chez le primate. En sus, cette connexion aura permis de redéfinir les frontières médiales du noyau subthalamique avec les conséquences cliniques qui peuvent en être tirées. Le deuxième objectif global de cette thèse était de tester la validité fonctionnelle du modèle, la stimulation cérébrale profonde offrant un accès rare aux activités du noyau subthalamique. Cependant, il était d'abord nécessaire de caractériser la population étudiée, à savoir des patients souffrants d'un trouble obsessionnel compulsif. Grâce à l'imagerie de diffusion nous démontrons une diminution ainsi qu'une désorganisation des connexions cortico-sous corticales, se traduisant probablement par un défaut de contrôle conscient sur le processus de sélection. Une étude de magnétoencéphalographie est en cours pour approfondir les changements d'activité corticale. Pour tester le rôle du noyau subthalamique dans l'établissement du seuil décisionnel nous avons enregistré son activité électrophysiologique pendant que les patients effectuaient une tâche de prise de décision perceptuelle. Nous démontrons que les neurones du noyau subthalamique ont une réponse multimodale, concordant en cela avec nos données anatomiques qui montrent une convergence d'informations au niveau du noyau subthalamique. De plus, une augmentation de l'activité est retrouvée dans les conditions attendues... / The basal ganglia are a network of subcortical structures of which the invariant architecture throughout vertebrate evolution suggests a key function in evolution. As was noted as early as the 18th century, they have the unique characteristic of concentrating afferences from the entire cortical surgace. Given this central position and the internal architecture of the network, they could provide a centralised selection mechanism in the brain, arbitrating between any two conflicting processes. Among the basal ganglia, the subthalamic nucleus has become of particular interest as it is the target of deep brain stimulation, a neurosurgical procedure used to treat severe Parkinson’s disease and obsessive-compulsive disorder. It would have for function to integrate contextual information from its cortical inputs to filter behavioural programs encoded by the striatum. Within the framework of decision-making models, this filtering function is akin to setting the decision threshold, or the amount of evidence required before selecting a program. However, this considerations remain hypothetical as they are lacking experimental support. The first objective of this work was to validate the anatomical basis of these assumptions. Indeed, the existence of a prefrontal-subthalamic pathway, necessary to expand the decision models to every type of decision, had only been demonstrated in rodents. We demonstrated its existence in the primate using anterograde axonal tracing. In addition, this projection will have allowed us to redefine the medial border of the subthalamic nucleus with the clinical consequences that that may have. The second objective of this thesis was to test the functional validity of the models, and specifically the role of the subthalamic nucleus in setting decision thresholds. Deep brain stimulation offers a rare access to the electrophysiology of this structure; however, it is a patient population, here obsessive-compulsive disorder patients. A first step was, therefore, to characterise this population, anatomically and behaviourally, to understand how it might be of use as a model of decision-making in the basal ganglia. We demonstrated a reduction in the strength of cortico-subcortical anatomical connections. We suggest that this prevents accurate conscious control over decision mechanisms. Behaviourally, patients displayed a pathologically low confidence levels in their decisions and we hypothesised that this would lead to an increase of the decision threshold and matching subthalamic activity. To test this, we recorded the activity of the subthalamic nucleus during a decision-making task. We demonstrate that subthalamic neurons have a multimodal activity, consistent with our demonstration of convergent cortical inputs. However, we were unable to demonstrate a link between subthalamic activity and decision threshold, although this may be due to technical considerations…

Cette thèse de doctorat est consacrée à l'étude des problèmes directe et inverse en électrophysiologie cardiaque. Comme les équations qui décrivent l'activité électrique du coeur peuvent être très couteuses en temps de calcul, une attention particulière est apportée aux méthodes d'ordre réduit et à leur applications aux modèles de l'électrophysiologie.Dans un premier temps, nous introduisons les modèles mathématiques et numériques de l'électrophysiologie cardiaque. Ces modèles nous permettent de réaliser des simulations numériques que nous validons à l'aide de plusieurs critères qualitatifs et quantitatifs trouvés dans la littérature médicale. Comme notre modèle prend en compte les oreillettes et les ventricules, nous sommes capables de reproduire des cycles complets d'électrocardiogrammes (ECG) à la fois dans des conditions saines et dans des cas pathologiques.Ensuite, plusieurs méthodes d'ordre réduit sont étudiées pour la résolution des équations de l'électrophysiologie. La méthode Proper Orthogonal Decomposition (POD) est appliquée pour la discrétisation des équations de l'électrophysiologie dans plusieurs configurations, comme par exemple la simulation d'un infarctus du myocarde. De plus, cette méthode est utilisée pour résoudre quelques problèmes d'identification de paramètres comme localiser un infarctus à partir de mesures d'un électrocardiogramme ou simuler une courbe de restitution. Pour contourner les limitations de la POD, une nouvelle méthode basée sur des couples de Lax approchés (Approximated Lax Pairs, ALP) est utilisée. Cette méthode est appliquée aux problèmes directe et inverse. Pour finir, un nouvel algorithme, basé sur les méthodes ALP et l'interpolation empirique discrète, est proposé. Cette nouvelle approche améliore significativement l'efficacité de l'algorithme original ALP et nous permet de considérer des modèles plus complexes utilisés en électrophysiologie cardiaque. / This PhD thesis is dedicated to the investigation of the forward and the inverse problem of cardiac electrophysiology. Since the equations that describe the electrical activity of the heart can be very demanding from a computational point of view, a particular attention is paid to the reduced order methods and to their application to the electrophysiology models. First, we introduce the mathematical and numerical models of electrophysiology and we implement them to provide for simulations that are validated against various qualitative and quantitative criteria found in the medical literature. Since our model takes into account atria and ventricles, we are able to reproduce full cycle Electrocardiograms (ECG) in healthy configurations and also in the case of several pathologies. Then, several reduced order methods are investigated for the resolution of the electrophysiology equations. The Proper orthogonal Decomposition (POD) method is applied for the discretization of the electrophysiology equations in several configurations, as for instance the simulation of a myocardial infarction. Also, the method is used in order to solve some parameters identification problems such as the identification of an infarcted zone using the Electrocardiogram measures and for the efficient simulation of restitution curves. To circumvent some limitations of the POD method, a new reduced order method based on the Approximated Lax Pairs (ALP) is investigated. This method is applied to the forward and inverse problems. Finally, a new reduced order algorithm is proposed, based on the ALP and the Discrete Empirical Interpolation methods. This new approach significantly improves the efficiency of the original ALP algorithm and allow us to consider more complex models used in electrophysiology.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'halothane est à l'heure actuelle, l'anesthésiant volatile le plus répandu en recherche animale. Comme plusieurs autres agents, il produit d'importantes altérations aux organes de l'animal, tout spécialement au cerveau. L'utilisation d'un agent plus récent, l'isoflurane, procure certains avantages comparativement à l'halothane. Par contre, personne n'est dans une bonne position pour recommander l'utilisation de l'isoflurane en électrophysiologie, car ses effets sur les fonctions cérébrales sont peu connus. En sachant que les deux agents agissent de façon différente sur l'activité globale du cerveau (EEG, PEY), il est probable qu'ils agissent également de façon différente sur l'activité unitaire des neurones. Il est fondamental de résoudre cette incertitude lorsqu'on considère qu'un bon nombre d'études explorent les fonctions de régions du cerveau en se basant sur les propriétés des cellules constituant ces régions. L'objectif de cette étude est de déterminer, entre l'halothane et l'isoflurane, l'anesthésique de choix pour l'étude des propriétés des champs récepteurs des cellules du cortex visuel primaire du chat. La distinction principale entre les deux agents anesthésiques testés est que, à des multiples de CAM équivalents, l'isoflurane réduit davantage l'amplitude des réponses visuelles optimales. Compte tenu de son effet dépresseur, l'isoflurane ne serait pas l'agent anesthésique à recommander pour les études électrophysiologiques en vision et possiblement aussi pour tous les autres systèmes sensoriels. / Halothane is presently the most widely used volatile anesthetic in animal research. As many anesthetics, it produces several alterations on organs, especially on the brain. Recently, another volatile anesthetic, isoflurane, emerged in neuroscience laboratories. Despite the fact that isoflurane appears to be a better anesthetic than halothane for animal brain research, no one is in a firm position to recommend it in electrophysiology research because its effect on specific brain functions are relatively unknown. Given that both anesthetics yield different action on gross brain activity (EEG, VEP), it is likely that they may also differentially affect single neuron activity. This is fundamental when considering that many studies investigate the function of brain areas on the basis of response properties of their comprising neurons. The main goal of this study is to determine the best anesthetic between halothane and isoflurane to study receptive field properties of neurons in the cat' s primary visual cortex. Results indicate that various cell response parameters differ under halothane compare to isoflurane anesthesia. The main diff erence between the two anesthetics tested is the greater depression of the cell optimal visual response amplitude induced by isoflurane anesthesia at equipotent concentration. Due to is depressive effects isoflurane may not be the ideal anesthetic for electrophysiological studies in vision has well has other sensory systems.

Le présent projet de thèse a pour objectif de cerner le rôle (activation ou protection) du complexe-k évoqué et du complexe-k spontané dans le sommeil chez de bons dormeurs et de déterminer si ce rôle se maintient chez des individus souffrant d'insomnie primaire. Les résultats indiquent un ralentissement de l'activité corticale suivant la présence d'un complexe-k spontané (augmentation de l'activité delta et diminution de l'activité theta, alpha, sigma et beta) et d'un complexe-k évoqué (augmentation de l'activité delta et diminution de l'activité theta, sigma, beta et gamma) chez de bons dormeurs. Ces changements dans l'activité EEG suggèrent que le sommeil est plus profond suivant ces deux types de complexe-k qu'à leur niveau de base. Ces résultats appuient le rôle de protection dans le sommeil du complexe-k spontané et du complexe-k évoqué. Également, contrairement à ce qui était prévu, des changements dans l'activité corticale similaires à ceux mesurés chez de bons dormeurs ont été observés chez des personnes souffrant d'insomnie primaire. En lien avec le modèle neurocognitif de l'insomnie, il semble ainsi que l'amplification du traitement de l'information présumée dans l'insomnie ne soit pas reflétée au niveau du complexe-k. Ces résultats suggèrent qu'il n'y a pas de déficit relié au complexe-k dans l'insomnie, tel que mesuré par les changements de l'activité corticale entourant leur présence. Plutôt, le rôle de protection dans le sommeil du complexe-k spontané et du complexe-k évoqué semble se maintenir chez des personnes souffrant d'insomnie primaire.

Essentiel à la survie, le stress est une expérience connue de tous les organismes. Son excès, tout comme son manque, peut cependant induire des conséquences néfastes pour la santé. Ainsi, un stress aigu peut engendrer des déficits au niveau des fonctions cognitives via l’activation de récepteurs aux glucocorticoïdes (GRs). L’activation de ces-derniers peut perturber les fonctions neuronales et induire des altérations du comportement et même de la physiologie neuronale. À ce jour, très peu d’information est disponible quant aux effets précis de l’activation des GRs sur la plasticité et la fonction synaptique; d’autant moins lorsque les différences sexuelles sont prises en compte. De plus, la manière dont la signalisation GR dans les types de cellules non- neuronales contribue au dysfonctionnement synaptique associé au stress reste encore moins claire. Ainsi, notre but était de caractériser les effets du stress aigu sur la fonction synaptique de l’hippocampe chez les souris mâles et femelles afin de mettre en évidence le rôle de la signalisation aux glucocorticoïde au sein des cellules non-neuronales. À cet effet, des souris ont été soumises à un test de nage forcée (acute swim stress), puis des tranches d’hippocampe ont été préparées in-vitro pour l’étude électrophysiologique. Les souris mâles ont exprimé une réponse neuroendocrine plus prononcée au stress aigu, alors que cette dernière est demeurée absente chez les femelles. Dans cet ordre d’idées, les déficits de potentialisation à long-terme (LTP) obtenus en réponse au stress ont aussi été observés exclusivement chez les mâles. Finalement, les enregistrements électrophysiologiques en cellule-attachée ont montré qu’un stress aigu augmente l’excitabilité intrinsèque dans CA1 chez les deux sexes, mais que des modifications aux afférences excitatrices de CA1 sont observés seulement chez les mâles. / Stress is a global experience across all organisms, and although important for our survival, stress can have detrimental effects on brain health. More specifically, acute stress induces an intense deficit in cognitive function via the activation of glucocorticoid receptors (GRs). The activation of GRs can modify neuronal function and structure to promote lasting changes in behaviour and physiology. Despite this, the effects and precise mechanisms of stress and GR activation on synaptic function and plasticity in male and female mice remain unclear. Furthermore, how GR signalling in non-neuronal cell types contributes to the synaptic dysfunction associated with stress remains even less clear. Thus, we aimed to conduct a detailed characterization of the effects of acute stress on hippocampal synaptic function in male and female mice and highlight the role of GR signalling in non-neuronal cell types in governing these effects. To accomplish this, mice were subjected to an acute swim stress and hippocampal brain slices were prepared for in-vitro electrophysiology. We found that male mice have a pronounced neuroendocrine response to acute stress, accompanied by an increase in astrocyte GR signalling. However, these changes were absent in female mice. In line with this, we have also found that stress-induced impairments of hippocampal long-term potentiation (LTP) are specific to males. Finally, whole-cell patch clamp recordings demonstrate that acute stress increases the intrinsic excitability of CA1 neurons in male and female mice; however, only male mice have changes in the excitatory inputs of CA1 neurons. Overall, our results demonstrate a sexually dimorphic response to an acute swim stress.