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Le co-transporteur potassium-chlorure 2, KCC2, contrôle la concentration intracellulaire des ion chlorure (Cl-) dans les neurones matures et régule ainsi la force inhibitrice de l'acide γ-amino butyrique (GABA) et de la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs du système nerveux central. Plusieurs troubles neurologiques sont associés à une diminution de l'expression de KCC2, qui se traduit par l'hyperexcitabilité du réseau neuronal. L'objectif de ce travail de thèse était d'identifier et caractériser les éléments structuraux de la protéine qui sont impliqués dans la régulation de son activité d'un point de vue physiologique et pathologique. J'ai développé de nouvelles approches pour enregistrer l'activité de transporteur d'ions ainsi que l'expression membranaire de KCC2. Ces outils m'ont permis de caractériser de nouveaux éléments structuraux qui régulent le fonctionnement de cette protéine, à savoir, son insertion dans la membrane plasmique, son internalisation ou encore son activité intrinsèque de transporteur d'ions. Enfin, nous avons montré que deux mutations (R952H et R1049C), identifiées chez des patients atteints d'épilepsie idiopathique généralisée (EIG), entrainent la diminution de l'expression membranaire de la protéine et de sa fonction de transporteur de Cl- in vitro. Nos résultats changent la vision actuelle du rôle fonctionnel des régions de KCC2, soulignent l'importance d'étudier l'expression membranaire de la protéine, conjointement à son activité de transporteur, et enfin, démontrent pour la première fois que des mutations sur le gène KCC2, retrouvées chez des patients atteints d'EGI, peuvent perturber le fonctionnement du transporteur. / The potassium chloride co-transporter 2, KCC2, controls the intracellular chloride (Cl-) concentration in mature neurons and thus regulates the inhibitory forces of γ-amino butyrique (GABA) and glycine, the major inhibitory neurotransmitters in the central nervous system. Several neurological disorders are associated with down-regulation of KCC2 expression, resulting in hyperexcitability of neural network. The aim of this thesis was to identify and characterize the structural elements of the protein involved in the regulation of its activity under physiological and pathological conditions. I developed new approaches to record ion-transport activity and membrane expression of KCC2. These tools allowed me to characterize new structural elements regulating the functioning of the protein, namely insertion into plasma membrane, internalisation or intrinsic activity of ion-transport. Finally, we showed that two mutations (R952H and R1049C) identified in patients with idiopathic generalized epilepsy (IGE), cause the decrease in membrane protein expression and its function of Cl-transporter in vitro. Our results change the current view on the functional role of KCC2 regions, emphasize the importance of studying membrane protein expression, together with its transporter activity, and finally, demonstrate for the first time that mutations in the KCC2 gene found in patients with EGI, may interfere with transporter function.

Notre vision de l'épilepsie du lobe temporal avec sclérose hippocampique a beaucoup évolué grâce aux techniques de neuroimagerie multimodale. Initialement perçue comme maladie restreinte à la lésion, à savoir la sclérose hippocampique (SH), elle est aujourd'hui considérée comme un modèle de pathologie en réseau. Cette thèse a pour but d'approfondir les caractéristiques du réseau sous tendant cette épilepsie.Nous avons pour cela recueilli des données de connectivité structurelle, d'EEG et de données cognitives chez une cohorte de 44 patient avec SH unilatérale (22 droite, 22 gauche) et chez 28 sujets contrôle. Nous avons déterminé les régions d'intérêt corticales et le volume hippocampique avec Freesurfer et la connectivité structurelle (locale ou en réseau) avec MRtrix ou FSL.Trois principaux résultats émergent de ces études :1. La connectivité globale montre un pattern de déconnexion très marqué de l'hémisphère gauche en cas de SH gauche. La SH semble donc s'accompagner d'une atteinte de réseau plus importante lorsqu'elle se situe dans l'hémisphère dominant pour le langage.2. La connectivité hippocampo-thalamique est augmentée du côté de la SH. Cette augmentation semble dysfonctionnelle, car corrélée avec une baisse de fonctions cognitives exécutives. 3.L'EEG de ces patients révèle des anomalies interictales ipsi-latérales qui sont corrélées avec une diminution de fonctions cognitives exécutives. Nos données confirment ainsi le concept de l'épilepsie du lobe temporal en tant que pathologie de réseau. L'atteinte structurelle, mais également cognitive s'étend sur des régions à distance de l'hippocampe et affecte notamment les réseaux de langage de l'hémisphère dominant / Our vision of temporal lobe epilepsy (TLE) with hippocampal sclerosis has much evolved in recent years. Initially regarded as a disease centered on a single lesion, it is now perceived as a genuine network disease, which we intended to explore with a multimodal approach. We examined structural connectivity, fMRI, EEG and cognitive dysfunction in a cohort of 44 patients with unilateral hippocampal sclerosis (HS, 22 with right, 22 with left HS) and 28 healthy age and gender matched control participants. Cortical regions of interest and hippocampal volumes were determined with Freesurfer, structural connectivity with MRtrix (pairwise disconnections and component effects with Network Based Statistics), or for hippocampal-thalamic connections with FSL. We found a pronounced pattern of disconnections most notably in the left hemisphere of patients with left TLE. Network Based Statistics showed large bi hemispheric clusters lateralized to the diseased side in both left and right temporal lobe epilepsy. We suggest that hippocampal sclerosis is associated with widespread disconnections if situated in the dominant hemisphere. We then determined streamline connections between hippocampus and thalamus and found an increase in connections in relation to the HS. This increase was seemingly dysfunctional as the number of hippocampal-thalamic connections was negatively correlated with performance in executive tasks. EEG analysis revealed predominantly ipsilateral epileptic discharge. The number of sharp waves was highly correlated with a number of executive functions depending on the frontal lobe, hence at distance of the HS. Our data thus confirms the concept of temporal lobe epilepsy as a network disease that finds its expression both in widespread, though lateralized alterations of structural connectivity and in neuropsychological dysfunction way beyond the hippocampus.

AL’objectif de la thèse est le développement d’une méthode de caractérisation des crises d’épilepsie du lobe temporal à partir des EEG de surface et plus particulièrement de la zone épileptogène (ZE) à l’origine des crises. Des travaux récents ont démontré une évolution des synchronisations entre structures cérébrales permettant une caractérisation de la dynamique des crises du lobe temporal. La comparaison de différentes méthodes de mesure de relation a permis la mise en évidence des avantages du coefficient de corrélation non-linéaire dans l’étude de l’épilepsie par les EEG de surface. L’exploitation de l’évolution de ce coefficient est à la base de trois applications de traitement automatique du signal EEG : -détermination de la latéralisation de la ZE au départ d’une crise, -recherche d’une signature épileptique, -classification des crises du lobe temporal en deux groupes / The objective of this work was the development of a temporal lobe epilepsy seizures characterization methodology realized through scalp EEG analysis. Recent researches showed an evolution of the synchronizations between cerebral structures, allowing a characterization of dynamic of the seizures. The comparison, between different methods of relation measurement, proved the advantages of the non-linear correlation coefficient in the study of epileptic seizures from scalp EEGs. The characterization of the evolution of this coefficient was used as the base of the development of three signal processing applications : -determination of the side of the Epileptic Zone at the onset of a seizure -research of an epileptic pattern at the seizure onset -classification of the temporal lobe seizures into two groups.

Cette étude a été divisée en 2 parties principales. Dans la première partie, nous examinons la relation entre l'activité des sources neuronales et les HFOs observés sur les électrodes intracérébrales. La deuxième partie traite de l'étude des conditions d'observabilité des HFO sur les électrodes du cuir chevelu. Les simulations ont montré que le modèle de champ neuronal proposé est capable de générer des HFOs montrant une forte ressemblance avec les signaux réels dans les deux cas EEG (cuir chevelu) et SEEG (intracérébral). De plus, nous avons pu relier les mécanismes physiopathologiques (GABA dépolarisant, inhibition directe, activité désynchronisée des populations neuronales) aux différentes caractéristiques morphologiques et spectrales des HFOs intracérébrales. Une hypothèse unifiée pour la production des HFOs et des pointes intercritiques est également formulée. Enfin, nous avons réussi à établir les conditions nécessaires sur l'activité temporelle et l'organisation spatiale des sources neuronales pour observer des HFOs sur les électrodes intracérébrales.En ce qui concerne la deuxième partie, la baisse inexpliquée de fréquence dans les HFOs collectées sur les électrodes du cuir chevelu a été abordée. Nous avons constaté que les mécanismes «non oscillatoires» de la génération de HFOs sont à l'origine de la faible fréquence (<200Hz) des HFOs du cuir chevelu et que le rapport signal / bruit (SNR) influe fortement sur la fréquence des oscillations. De plus, nous avons étudié la topographie des HFOs sur les électrodes du cuir chevelu et analysé comment cette topographie est affectée par différents paramètres (étendue spatiale épileptique, SNR, géométrie 3D). Enfin, nous avons montré que les HFOs du cuir chevelu peuvent être utilisés efficacement pour identifier la zone épileptique lorsque le rapport signal sur bruit des signaux enregistrés est suffisamment élevé. Une perspective de ce travail est l'identification non-invasive de la zone épileptique sans la nécessité d'enregistrements intracérébraux pré-chirurgicaux.Pour les deux études (HFO observés sur les électrodes intracérébrales et du cuir chevelu), un logiciel original et convivial a été développé. Ce logiciel a fortement facilité la simulation des signaux dans l'environnement cerveau/électrode virtuel, signaux obtenus en résolvant le problème direct de l’EEG (projection de la contribution électrique des sources neuronales sur les capteurs). / This study was divided into 2 main parts. In the first part, we address the relationship between the activity of neuronal sources and the HFOs observed on intracerebral electrodes. The second part deals with the investigation of observability conditions of HFOs on scalp electrodes. Simulations showed that the proposed neural field model is capable of generating HFOs showing strong resemblance with real signals in both cases EEG (scalp) and SEEG (intracerebral). Moreover, we were able to relate the pathophysiological mechanisms (depolarizing GABA, feedforward inhibition, desynchronized activity of neuronal populations) to different morphological and spectral features of intracerebral HFOs. A unified hypothesis for generation of HFOs and interictal spikes is also formulated. Finally, we managed to establish the necessary conditions about the temporal activity and the spatial organization of neuronal sources and about for HFOs to be observed on intracerebral electrodes. Regarding the second part, the unexplained drop in frequency in the collected HFOs on scalp electrodes was addressed. We found that the “non-oscillatory” mechanisms of the HFO generation is behind the low frequency (<200Hz) in scalp HFOs and that signal to noise ratio (SNR) heavily impacts the frequency of the oscillations. Moreover, we studied the topography of HFOS on scalp electrodes and analyzed how this topography is affected by different parameters (epileptic spatial extent, SNR, 3D geometry). Finally we showed that scalp HFOs can be effectively used to identify the epileptic zone when the SNR of the recorded signals is sufficiently high. A perspective to this work is the non-invasive identification of epileptic zone without the need for presurgical intracerebral recordings. For the purpose of both studies (HFOs observed on intracerebral & scalp electrodes) an original and user-friendly software package was developed. This software strongly facilitated the simulation of signals in the virtual brain/electrode environment obtained by solving the (S)EEG forward problem (projection of the electric contribution of neuronal sources onto electrode contacts).

Nous avons cherché à fournir une estimation précise de la conductivité électrique des tissus cérébraux humains en clinique, en utilisant une stimulation pulsée locale de faible intensité. Méthodes : À l'aide de l'approximation quasi-statique des équations de Maxwell, nous avons établi un modèle analytique du champ électrique généré par les électrodes intracérébrales stéréotaxiques-EEG (SEEG). Nous avons couplé ce modèle de champ électrique avec un modèle de l'interface électrode-électrolyte pour fournir une expression analytique explicite de la conductivité du tissu cérébral basée sur la réponse enregistrée du tissu cérébral à la stimulation. Résultats: Nous avons validé notre modèle biophysique en utilisant i) des solutions salines calibrées en conductivité électrique,ii) des tissus cérébraux de rat, et iii) des données électrophysiologiques enregistrées en clinique chez sept patients épileptiques au cours de la SEEG. Nous avons trouvé une possible corrélation entre la conductivité et le caractère épileptique du tissu. Conclusion: Cette nouvelle méthode basée sur un modèle offre une estimation rapide et fiable de la conductivité électrique des tissus cérébraux en tenant compte des contributions de l'interface électrode-électrolyte. Signification: Cette méthode surpasse les mesures standard de bioimpédance. L'application pour le diagnostic est envisagée puisque les valeurs de conductivité diffèrent fortement lorsqu'elles sont estimées dans le tissu cérébral sain versus hyperexcitable. / We aimed at providing an accurate estimation of human brain tissue electrical conductivity in clinico, using local, low-intensity pulsed stimulation. Methods: Using the quasi-static approximation of Maxwell equations, we derived an analytical model of the electric field generated by intracerebral stereotactic-EEG (SEEG) electrodes. We coupled this electric field model with a model of the electrode-electrolyte interface to provide an explicit, analytical expression of brain tissue conductivity based on the recorded brain tissue response to pulse stimulation. Results: We validated our biophysical model using: i) saline solutions calibrated in electrical conductivity, ii) rat brain tissue, and iii) electrophysiological data recorded in clinico from two epileptic patients during SEEG. Conclusion: This new model-based method offers a fast and reliable estimation of brain tissue electrical conductivity by accounting for contributions from the electrode-electrolyte interface. Significance: This method outperforms standard bioimpedance measurements since it provides absolute (as opposed to relative) changes in brain tissue conductivity. Application for diagnosis is envisioned since conductivity values strongly differ when estimated in the healthy vs. hyperexcitable brain tissue.

Le processus d'épileptogenèse, qui conduit à la production de décharges électro-encéphalographiques spontanées caractéristiques de la maladie épileptique, implique des mécanismes inconnus pour la plupart et probablement divers. Des études récentes soulignent le rôle potentiel de l'inflammation cérébrale dans les mécanismes précoces de l'épileptogenèse. Le syndrome d'épilepsie de la face mésiale du lobe temporal (EMLT) est souvent associé à une perte neuronale unilatérale et sélective dans l'hippocampe, suggérant que cette structure est particulièrement sensible. Notre travail a donc été consacré à l'étude de l'épileptogenèse faisant suite à l'injection intrahippocampique de toxiques chimiques capables d'entraîner des modifications tissulaires et cellulaires locales chez la souris C57BL/6. Le rôle potentiel de la neuro-inflammation a été plus particulièrement recherché. Dans notre premier modèle, un déséquilibre cholinergique est induit par l'injection de soman, un puissant inhibiteur des cholinestérases. Il est capable d'induire un processus d'épileptogenèse sans état de mal initial, associé à un déficit de la réponse émotionnelle conditionnée contextuelle mais en l'absence de remaniements tissulaires majeurs (neurodégénérescence, œdème et neuro-inflammation). En revanche, dans le modèle d'EMLT obtenu par l'injection de kaïnate, une forte activation microgliale est détectée précocement dans les zones de neurodégénérescence. Une astrogliose est également observée. Grâce à la technique quantitative de transcription inverse suivie de polymérisation en chaîne (RT-qPCR), nous avons également pu mettre en évidence que certains médiateurs moléculaires de l'inflammation sont également liés dans le temps et dans l'espace (particulièrement la transcription d'IL-1β) aux événements neurodégénératifs. Pour s'assurer de la fiabilité des données analytiques de RT-qPCR dans les régions cérébrales touchées par ces modifications, le choix des gènes de référence doit faire l'objet d'études spécifiques. Nous avons pu montrer qu'un ensemble de cinq gènes (Hprt1, Ppia, Tbp, Actb et Arbp) avait une forte stabilité dans la structure hippocampique dans ce modèle murin d'EMLT et pouvait être utilisé pour normaliser les données brutes de RT-qPCR dans ce modèle. Nos résultats indiquent que, chez la souris, des altérations neurochimiques sont capables d'initier l'épileptogenèse même en l'absence de lésions tissulaires notables et qu'une réponse neuro-inflammatoire massive n'est pas une condition sine qua non. Déterminer le caractère bénéfique ou délétère de la neuro-inflammation reste un enjeu majeur pour la découverte de nouvelles thérapeutiques anti-épileptogènes.

Près de 30% des patients qui souffrent d´une épilepsie sont résistants aux traitements pharmacologiques et seuls 30% de ces patients peuvent bénéficier d'une alternative thérapeutique par résection chirurgicale. La recherche de cibles et stratégies thérapeutiques innovantes constitue un enjeu majeur pour la prise en charge de ces patients. De nombreuses études expérimentales chez l'animal indiquent que les ganglions de la base, et en particulier la substance noire, exercent un contrôle sur la survenue des crises d'épilepsie. Des arguments cliniques, obtenus par électrophysiologie ou imagerie médicale, sont également en faveur de la mise en jeu des ganglions de la base dans certains syndromes épileptiques. Chez des patients souffrant d'épilepsie focale, l'influence de la propagation des crises au travers des ganglions de la base a été examinée en rapport avec le taux de généralisation secondaire. Chez ces patients l'activation des ganglions de la base semble associée à une influence inhibitrice sur la propagation des crises lorsque celles-ci envahissent le lobe frontal. L'exploration de ces mécanismes inhibiteurs des crises est susceptible d'ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques comme celle portant sur la stimulation intracérébrale profonde. Les premières études de cas explorant les effets de la stimulation intracérébrale des ganglions de la base chez quelques patients ont permis d'obtenir des résultats encourageants chez certains d'entre eux. Cependant de nombreuses études précliniques devraient permettre de préciser les paramètres de stimulation à appliquer. Une approche expérimentale chez l'animal nous a permis de déterminer les paramètres optimaux à appliquer pour controler la survenue de crises spontanées dans un modèle d'épilepsie-absence chez le rat. Dans ce modèle les paramètres optimaux à appliquer à la substance noire réticulée consistent en des stimulations bilatérales, bipolaires, monophasiques, de 60 Hz en fréquence et de 60 µs en largeur d'impulsion. Appliqués de façon répétée, ces paramètres ne permettent cependant pas de supprimer durablement la survenue des crises et ont même tendance à augmenter le nombre de crises enregistrées. Un délais d'au moins 60 seconde entre l'application de deux stimulations consécutives est à respecter pour interrompre les crises. Dans nos conditions, bien qu'une stimulation haute-fréquence de la substance noire réticulée appliquée de façon aigue puisse interrompre une crise en cours, des stimulations répétées semblent inefficaces. Ceci est en faveur du développement en cours, dans de nombreux laboratoire à travers le monde, de procédures de stimulation des crises asservie à leur détection afin de les supprimer de façon chronique dans le cadre d'applications thérapeutiques. De tels systèmes, dits « adaptatifs », seront particulièrement pertinents s'ils sont couplés à des modifications détectables, signalant l'arrivée d'une crise. Dans le modèle d'épilepsie-absence chez le rat, de telles modifications ont été identifiées au niveau de la cohérence entre signaux électroencéphalographiques issus des deux substances substances noires réticulées. Ces modifications pourraient etre utilisées comme signature spécifique de l'imminence d'une crise dans le couplage de la stimulation à la détection des crises. Toutefois, rien ne permet de dire si ces modifications sont spécifiques du modèle etudié ou encore si de telles modifications existent dans certains syndromes épileptiques en clinique. De nombreux arguments existent pour dire que l'épilepsie n'est pas une pathologie restreinte au seul cortex en tant que circuit générateur de crises, mais implique également des structures sous-corticales susceptibles d'exercer un contrôle à distance sur les circuits générateurs de crises. Cette conception de l'épilepsie permet d'envisager le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les patients pharmaco-résistants et qui ne peuvent pas bénéficier d'une intervention chirurgicale.

Les enregistrements EEG de profondeur effectués lors d'examens pré-chirurgicaux de patients épileptiques candidats à une résection, portent réellement a priori des informations précieuses sur la dynamique spatio-temporelle des zones épileptogènes locales. Actuellement l'interprétation de tels signaux, essentiellement qualitative, reste un problème délicat et des efforts restent à faire pour interpréter quantitativement l'information physiologique qu'ils contiennent. Cette thèse traite de l'identification d'un modèle dont les paramètres représentent l'excitation et l'inhibition dans le tissu neuronal enregistré. Une analyse qualitative de ce modèle et une méthode d'identification des paramètres combinant filtrage bayesien non linéaire et algorithme d'optimisation globale de la vraisemblance sont proposées. Cet estimateur est enfin appliqué sur des données réelles et des difficultés inhérentes à l'adéquation du modèle sont discutées.

Patients with epilepsy often suffer debilitating cognitive and psycho-affective disorders.In some cases, epilepsy is associated to neurodegenerative processes that are the targetof certain therapeutical agents. Today, erythropoietin is considered as one of the most promising neuroprotective agents. In addition, an increased body of studies provides evidence that enrichment (or complexity) of housing decreases the cerebral vulnerabilityin the context of diverse brain insults. In this thesis, we demonstrate: 1) in a model ofepilepsy with large neuronal lesions, that erythropoietin protects the most vulnerable neuronal populations to excitotoxic injury, at the only condition that neuronal expression of its receptor is optimized prior to the primary insult causing epilepsy; 2) in a model of epilepsy associated with faint neuronal lesions that: i) erythropoietin prevents anxietyand impaired spatial learning and memory, ii) enriched housing in Marlau™ cages is moreefficient than erythropoietin, and iii) erythropoietin treatment abolishes beneficial effectsof enriched housing. These results, obtained in animal models of epilepsies associatedwith cognitive disorders establish that beneficial effects of a potential therapeutic agentmay rely on quality of life