Les circuits nerveux s'organisent autour des grands axes de polarité du corps. Au cours du développement, la navigation ainsi que l'arrangement spatial des projections au sein de leurs territoires cibles sont contrôlés par de nombreux facteurs de guidage. Pendant ma thèse je me suis intéressée à deux modèles de formation des circuits neuronaux présentant une polarité dans l'axe droite-gauche. Le premier concerne la mise en place des projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière, un modèle de navigation orientée et le second, porte sur l'innervation des motoneurones phréniques, un modèle d'organisation asymétrique dans le territoire cible. Les mouvements comme la marche, la course ou la nage font intervenir des circuits neuronaux particuliers dédiés à la coordination des deux côtés du corps. Ces circuits sont formés majoritairement par les projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière. Au cours du développement, ces interneurones élaborent un axone qui traverse la ligne médiane partageant les deux moitiés du système nerveux central pour se connecter aux motoneurones ou à d'autres interneurones de l'hémi-moelle opposée. De nombreux travaux ont porté sur les mécanismes de traversée de la ligne médiane et ont mis en évidence un rôle fondamental de facteurs de guidage comme la Nétrine, les Slit et les Sémaphorines. Ces molécules sont secrétées par les cellules de la plaque du plancher (PP) environnant la ligne médiane ventrale. Lors de leur traversée les axones commissuraux sont tout d'abord attirés par les signaux attractifs secrétés par les cellules de la PP. Une fois que les axones ont traversé la ligne médiane, ils perdent leur sensibilité aux facteurs attractifs et développent des nouvelles sensibilités pour des facteurs répulsifs qui les guident hors de la PP. Une étude menée par mon équipe a permis de montrer que les axones commissuraux acquièrent une réponse à la Sémaphorine3B seulement après avoir traversé la ligne médiane. Dans cette étude, l'équipe a montré que pendant la phase qui précède la traversée de la PP, une protéase, la Calpaine-1, dégrade la Plexine-A1, le corécepteur de Sema3B (Nawabi et al., 2010). L'inhibition de cette voie pendant la traversée de la PP conduit à la stabilisation de la PlexineA1 à la surface du cône de croissance et la formation d'un complexe récepteur de Sema3B fonctionnel composé de la Plexine-A1 et de la sous-unité de liaison de Sema3B, la Neuropiline2. La suppression de l'activité Calpaine est contrôlée par des signaux de la PP dont la nature n'était pas connue. Au cours de ma thèse j'ai identifié et caractérisé les contributions fonctionnelles de deux signaux de la PP qui sont responsables de la suppression de l'activité Calpaine et la sensibilisation des axones à Sema3B après la traversée. Ces résultats ont permis d'élargir les fonctions du facteur neurotrophique gdnf, et d'apporter de nouveaux éléments sur les voies de contrôle de la signalisation Sémaphorine, les processus de traversée et les modulations post-traductionnelles des récepteurs Plexines. Dans un deuxième projet, je me suis intéressée aux asymétries droite-gauche du système nerveux, par l'étude d'un nouvel exemple de circuit neuronal asymétrique : l'innervation motrice du diaphragme. Le diaphragme est un muscle indispensable à la respiration, il est composé d'une région centrale tendineuse et de deux muscles latéraux. Ces muscles sont innervés par un groupe particulier de motoneurones provenant de la moelle épinière cervicale, qui forment les nerfs phréniques droits (D) et gauches (G). Malgré une position centrale dans l'organisme et une morphologie apparente symétrique, nous avons découvert que le diaphragme présente une asymétrie musculaire ainsi qu'une asymétrie nerveuse. Etonnamment les motoneurones phréniques établissent un motif de connexion typique et différent sur les muscles droit et gauche du diaphragme [etc...] / The nervous circuits have stereotype positions within the major body axes. During development, axonal navigation and special positioning of the axon tracts in the target territories are regulated by many axon guidance factors. During my thesis I have been interested in two models of neuronal circuit formation that present a leftright polarity. The first one concerns the formation of the spinal commissural neurons projections, a model of oriented navigation along the left-right axis and the second one is the innervation of the phrenic motoneurons, a novel model of left-right asymmetric innervation pattern. Rhythmic locomotor movements like walking, running or swimming require neuronal circuits ensuring left-right coordination. Central components of these circuits are commissural neurons of the spinal cord. During development theses neurons are projecting axons across the midline that divides the nervous system in two parts, which connect the contralateral side of the spinal cord. Extensive work focused on the mechanisms controlling midline crossing. These study revealed a fundamental role of guidance factors secreted by floor plate cells at the ventral midline such as Netrins, Slits and Semaphorins. They also revealed that before crossing, axons are attracted towards the floor plate, and navigating by the floor plate they lose responsiveness to these attractive factors and develop a new sensitivity to repulsive cues that drive them out of the floor plate. In a previous study, my team showed that commissural axons gain response to Sema3B only after floor plate crossing (Nawabi et al., 2010). Before crossing, Plexin-A1 the Sema3B receptor is processed by a protease: the Calpain1. During crossing suppression of this pathway enable Plexin-A1 expression at growth cone surface, leading to sensitization to Sema3B. The suppression of Calpain activity was found controlled by floor plate signals, which remained unknown. During my thesis I have identified and characterized the functional contribution of two floor plate signals that are responsible for the inhibition of Calpain activity and axon sensitization to Sema3B after midline crossing: the neurotrophic factor gdnf and the cell adhesion molecule NrCAM. My results bring new elements on the control of midline crossing processes, Semaphorin signaling, and post-translational modifications of the Plexins receptors. In my second project, I have been interested in left-right asymmetries of the nervous system through the study of a new model of left-right asymmetry: the diaphragm innervation. The diaphragm is a muscle essential for breathing, it is composed of one central tendinous region and two lateral muscles. These muscles are innervated by a subset of cervical spinal cord motoneurons which forms the left and right phrenic nerves. Despite its central disposition in the organism and its apparent symmetry, we noticed that the diaphragm presents nervous and muscular asymmetries. Surprisingly phrenic motoneurons present typical and different nerve patterns on the left and right diaphragm muscles. Diverse left-right characteristic have been documented in the brain but none concerned yet the spinal cord or peripheral projections. My thesis work has been dedicated to the identification of the mechanisms that control the asymmetry of the diaphragm innervation. My work showed that this asymmetry is set up very early during development via a molecular pathway that is known to control the visceral organ asymmetry. This work opens numerous perspectives and brings new information on the molecular diversity of spinal neurons that could shed a new light on the mechanisms of motoneuron physiopathology

Au niveau du canal central (CC) du tronc cérébral et de la moelle épinière, on trouve des neurones au contact avec le liquide céphalorachidien (Nc-LCR). Les Nc-LCR sont GABAergiques et projettent une seule dendrite dans le CC qui se termine par une large protrusion. Ils expriment sélectivement le canal PKD2L1 pour lequel des fonctions de chimio- et mécanorécepteur ont été démontrées. Compte tenu de leur localisation, de leur morphologie et de l’expression sélective de PKD2L1, les Nc-LCR représenteraient une nouvelle population de neurones sensoriels dans le SNC. Au cours de ma thèse, je me suis concentrée sur la caractérisation des canaux Ca2+ et les mécanismes de signalisation Ca2+ dans les Nc-LCR bulbo-spinaux de souris. Je rapporte que les Nc-LCR expriment des canaux Ca2+ qui sont modulés par les récepteurs métabotropiques GABAB et muscarinique. Je montre aussi l'implication des stocks intracellulaires dans la régulation du Ca2+ intracellulaire. Ensuite, je démontre pour la première fois la relation fonctionnelle entre la protrusion et le soma et indique que la protrusion serait dépourvu de conductance ionique active. Enfin, pour aborder le rôle des Nc-LCR, j'ai développé des modèles chimiogénétiques (DREADDs) et optogénétiques (channelrhodopsin) chez la souris afin de manipuler sélectivement l'activité Nc-LCR. Dans l'ensemble, les résultats de mon étude de doctorat contribuent à mieux comprendre les Nc-LCR bulbo-spinaux des mammifères en en contribuant à la caractérisation de leur physiologie et modulation. Ils ouvrent également la voie à de futures études qui permettront de démontrer le rôle de cette population neuronale dans la régulation de l'activité du SNC. / Cerebrospinal fluid-contacting neurons (CSF-cNs) located in the ependymal region around the central canal (CC) in the brainstem and the spinal cord are GABAergic neurons that project a single dendrite to the CSF and ends with a large protrusion. They selectively express PKD2L1 channel suggested to act as chemo- and mechanoreceptor. Considering their localization, morphology and selective expression of PKD2L1 channel, CSF-cNs would represent a novel population of sensory neurons within the CNS. To better understand the role of CSF-cNs in mammals, it is necessary to describe the physiological properties and modulation of CFS-cNs. In the present study, I focused on Ca2+ channels and Ca2+ signaling mechanisms in mouse medullo-spinal CSF-cNs. I report that Ca2+ channels in CSF-cNs undergo modulation by metabotropic GABAB and muscarinic acetylcholine receptors. I further show the involvement of intracellular Ca2+ stores in the regulation of intracellular Ca2+. Next, I demonstrate for the first time functional relationship between bud and soma and indicate that the bud would be devoid of active ionic conductance. Finally, to address the role of CSF-cNs, I developed chemogenetic (DREADDs) and optogenetic (channelrhodopsin) mice models to be able to selectively manipulate CSF-cN activity. Altogether, the results of my PhD study contribute to better understanding mammalian medullo-spinal CSF-cNs by providing valuable information on their physiology and modulation. They also set ground for further studies carried out in ex-vivo preparation or in vivo models to demonstrate their role in the regulation of CNS activity.

Les exosquelettes robotisés de marche (ERM) représentent une intervention prometteuse dans le domaine de la réadaptation locomotrice. Sur le plan clinique, les ERM facilitent la mise en application de principes de neuroplasticité. Jusqu'à présent, la majorité des études analysant les effets de l’ERM a été menée avec des ERM fournissant une assistance robotique complète le long d’une trajectoire de mouvements prédéfinie des membres inférieurs (MI) de façon à reproduire la marche de façon quasi parfaite à très basse vitesse. La nouvelle génération d’ERM, maintenant disponible sur le marché, propose de nouveaux modes de contrôles qui permettent, entre autres, une liberté de mouvement accrue aux MIs (c.-à-d. trajectoire non imposée) et une possibilité d’offrir une assistance ou résistance aux mouvements de différentes intensités surtout pendant la phase d’oscillation du cycle de marche. Cependant, les effets de ces modes de contrôles sur la coordination musculaire des MI pendant la marche au sol avec l’ERM, caractérisé via l’extraction de synergies musculaires (SM), restent méconnus. Cette thèse mesure et compare les caractéristiques des SM (c.-à-d. nombre, profils d’activation, composition musculaire et contribution relative des muscles) pendant la la marche au sol sans ou avec un ERM paramétré avec six différents modes de contrôle chez des individus en bonne santé (articles #1 et #2) et d’autres ayant une lésion médullaire incomplète (LMI) (article #3). Les signaux électromyographiques (EMG) des différents muscles clés des MI, enregistrés lors de la marche, ont été utilisés afin d’extraire les SM avec un algorithme de factorisation matricielle non négative. La similarité des cosinus et les coefficients de corrélation ont caractérisé les similitudes entre les caractéristiques des SM. Les résultats montrent que: 1) les profils d'activation temporelle et le nombre de SM sont modifiés en fonction de la vitesse de marche avec, entre autres une augmentation de la vitesse de marche entrainant une fusion de SM, chez les individus en bonne santé marchant sans ERM ; 2) lorsque ces derniers marchent avec un ERM, les différents modes de contrôle testés ne dupliquent pas adéquatement les SM retrouvées lors de la marche sans ERM. En fait, uniquement le mode de contrôle libérant la contrainte de trajectoire de mouvements des MIs dans le plan sagittal lors de la phase d’oscillation reproduit les principales caractéristiques des SM retrouvées pendant la marche sans ERM ; 3) le nombre et la composition musculaire des SM sont modifiés pendant la marche sans ERM chez les personnes ayant une LMI. Cependant, parmi tous les modes de contrôle étudiés, seul le mode de contrôle libérant le contrôle de la trajectoire de mouvements des MI et assistant l’oscillation du MIs (c.-à-d. HASSIST) permets l’extraction de SM similaire à celles observées chez des individus en santé lors d'une marche sans ERM. Dans l’ensemble, cette thèse a mis en évidence le fait que différentes demandes biomécaniques liées à la marche (c.-à-d. vitesse de marche, modes de contrôle de l’ERM) modifient le nombre et les caractéristiques de SM chez les personnes en santé. Cette thèse a également confirmé que la coordination musculaire, mise en évidence via l’analyse de SM, est altérée chez les personnes ayant une LMI et a tendance à se normaliser lors de la marche avec l’ERM paramétré dans le mode de HASSIST. Les nouvelles preuves appuieront les professionnels de la réadaptation dans le processus de prise de décision concernant la sélection du mode de contrôle des MIs lors de l’entrainement locomoteur utilisant avec un ERM. / Wearable robotic exoskeletons (WRE) represent a promising rehabilitation intervention for locomotor rehabilitation training that aligns with activity-based neuroplasticity principles in terms of optimal sensory input, massed repetition, and proper kinematics. Thus far, most studies that investigated the effects of WRE have used WRE that provide full robotic assistance and fixed trajectory guidance to the lower extremity (L/E) to generate close-to-normal walking kinematics, usually at very slow speeds. Based on clinicians’ feedback, current commercially-available WRE have additional control options to be able to integrate these devices into the recovery process of individuals who have maintained some ability to walk after an injury to the central nervous system. In this context, WRE now offer additional degrees of movements for the L/E to move freely and different strategies to assist or resist movement, particularly during the gait cycle’s swing phase. However, the extent that these additional WRE control options affect L/E neuromuscular control during walking, typically characterized using muscle synergies (MSs), remains unknown. This thesis measures and compares MSs characteristics (i.e., number, temporal activation profile, and muscles contributing to a specific synergy [weightings]) during typical overground walking, with and without a WRE, in six different control modes, in abled-bodied individuals (Articles #1 and #2) and individuals with incomplete spinal cord injury (iSCI; Article #3). Surface EMG of key L/E muscles were recorded while walking and used to extract MSs using a non-negative matrix factorization algorithm. Cosine similarity and correlation coefficients characterized, grouped, and indicated similarities between MS characteristics. Results demonstrated that: 1) the number of MSs and MS temporal activation profiles in able-bodied individuals walking without WRE are modified by walking speed and that, as speed increased, specific MSs were fused or merged compared to MSs at slow speeds; 2) In able-bodied individuals walking with WRE, few WRE control modes maintained the typical MSs characteristics that were found during overground walking without WRE. Moreover, freeing the L/E swing trajectory imposed by the WRE best reproduced those MSs characteristics during overground walking without the WRE; and 3) After an iSCI, alterations to the number and the composition of MSs were observed during walking without WRE. However, of all WRE control modes that were investigated, only HASSIST (i.e., freeing WRE control over L/E swing trajectory while assisting the user’s self-selected trajectory) reproduced the number and composition of MSs found in abled-bodied individuals during overground walking without WRE. Altogether, the results of this thesis demonstrated that different walking-related biomechanical demands (i.e., walking speed) and most of the WRE control modes can alter some MSs, and their characteristics, in able-bodied individuals. This research also confirmed that impaired muscle coordination, assessed via MSs, can adapt when walking with a WRE set with specific control options (e.g., HASSIST). These MS adaptations mimicked typical MS characteristics extracted during overground walking. The evidence generated by this thesis will support the decision-making process when selecting specific L/E control options during WRE walking, allowing rehabilitation professionals to refine WRE locomotor training protocols.

Une lésion traumatique de la moelle épinière est une affection de la moelle épinière résultant d’un impact direct sur la colonne vertébrale. D’installation brusque par compression, lacération, distraction ou section de la moelle épinière, les lésions médullaires traumatiques entraînent l’interruption partielle ou totale de la transmission de l’influx nerveux et le développement des troubles neurologiques. Ces troubles sont de gravité et de durée variables, limitant significativement la capacité fonctionnelle du patient dans les activités quotidiennes. Il s’agit d’une affection lourde de conséquences à cause de la morbidité et mortalité élevées comparativement à la population générale et d’une qualité de vie amoindrie à la suite de diverses complications à long terme. Ces lésions représentent un fardeau considérable pour le patient, sa famille et le système de santé dans son ensemble. Ceux qui survivent d’une LTME présentent, selon les cas, des évolutions cliniques très variables. Les résultats à long terme vont d’une récupération complète à une incapacité fonctionnelle très sévère. Selon les cas, différents scenarios sont possibles. Certains patients récupèrent considérablement sur le plan neurologique et sur le plan fonctionnel, tandis que d’autres patients ont une récupération très limitée, développant ainsi une invalidité qui les rend totalement dépendants. Au cours des dernières décennies, il y a eu beaucoup d’avancées médicales qui ont permis d’améliorer le diagnostic et la prise en charge rapide dans la phase aiguë. Fort malheureusement, très peu de progrès ont été réalisés sur les thérapies pouvant rétablir la transmission de l’influx nerveux interrompue et entraîner une restitution ad integrum. Tôt après la survenue de la lésion médullaire, la prédiction des résultats neurofonctionnels à long terme reste une préoccupation majeure pour les cliniciens, les patients et leurs familles. Cependant, les résultats à long terme suivant une LTME sont, à l’heure actuelle, difficiles à prédire avec précision à cause de la variabilité observée dans l’évolution clinique et la diversité des facteurs qui influencent ces résultats. Quelques études ont identifié plusieurs prédicteurs de résultats à long terme suivant une lésion médullaire. Cependant, il existe encore des lacunes relatives à la modélisation prédictive dans ce domaine. Ces lacunes sont liées à la sélection des variables indépendantes à utiliser dans la prédiction mais aussi à la pertinence clinique des résultats à prédire. L’objectif général de ce travail a consisté donc à étudier les caractéristiques de la phase d’hospitalisation aigue qui sont susceptibles de prédire les résultats neurofonctionnels à long terme après une LTME, et d’aider les cliniciens dans la prise en charge des patients. Plus précisément, ce travail consistait à (1) identifier les prédicteurs aigus des résultats neurologiques à long terme, (2) déterminer les prédicteurs aigus des résultats fonctionnels tout en établissant leur ordre d’importance et leurs points de coupure, (3) identifier les profils d’amélioration neurologique associés à la récupération fonctionnelle. Dans une première étude, nous avons identifié par une revue systématique de la littérature les variables liées aux caractéristiques du patient, de la lésion et de la prise en charge ayant une valeur prédictive des résultats neurologiques à long terme. Ces prédicteurs ont ensuite été classifiés dans un cadre conceptuel en quatre catégories en fonction de la constance de leur valeur prédictive. Cette étude a permis de mettre en évidence l’existence des prédicteurs émergents comme les biomarqueurs céphalorachidiens, sanguins et radiologiques, qui ont démontré une association significative aux résultats neurologiques bien que non encore suffisamment explorés. Deuxièmement, nous avons déterminé par une étude de cohorte, les prédicteurs aigus des résultats fonctionnels à long terme. Au moyen d’un arbre de régression, nous avons élaboré quatre phénotypes de récupération fonctionnelle en fonction des trois variables issues de l’examen neurologique initial, à savoir la sensibilité à la piqure, le score moteur ASIA des membres inférieurs et le score moteur ASIA des membres supérieurs. Cette étude a permis de déterminer les points de coupure sur ces variables d’intérêt. Enfin, dans une autre étude de cohorte, nous avons déterminé les profils d’amélioration neurologiques associés à la récupération fonctionnelle. La validation externe des résultats de ces deux dernières études dans une large cohorte de blessés médullaires issus d’une population différente est une prochaine étape nécessaire pour la translation clinique de ces algorithmes. En effet, l’identification de profils/phénotypes cliniques pourrait permettre aux cliniciens de mieux orienter et évaluer les stratégies de traitement et de réadaptation pour la clientèle des blessés médullaires. / A traumatic spinal cord injury (SCI) is damage to the spinal cord resulting from a direct impact on the spine. From sudden installation by compression, laceration, distraction, or section of the spinal cord, traumatic SCI causes partial or total interruption of the conduction of nerve impulses and the development of neurological disorders. These disorders vary in severity and duration, significantly limiting the functional capacity of the patient in daily activities. Traumatic SCI is a disease with serious consequences due to high morbidity and mortality compared to the general population, and reduced quality of life because of various long-term complications. These injuries represent a tremendous burden to the patients, their families, and the health care system. Those surviving a SCI present variable clinical evolution, and the long-term outcomes range between a full recovery and a severe functional disability. Depending on the case, different scenarios are possible. Some patients may significantly recover, both neurologically and functionally, while others have very limited recovery, the latter becoming dependent. In recent decades, there have been many medical advances that have improved diagnosis and rapid management in the acute phase. Unfortunately, very little progress has been made on effective therapies to restore the conduction of the interrupted nerve impulses. Early after the onset of a spinal cord injury, predicting long-term neurofunctional outcomes remains a major concern for clinicians, patients, and their families. However, it is currently difficult to accurately predict long-term neurofunctional outcomes, because of the variability in clinical evolution and the diversity of factors influencing these outcomes. A few studies have identified several predictors of long-term outcomes following a SCI. However, there are still gaps in predictive modeling in this area. These gaps are related to the selection of independent variables to be used in prediction but also to the clinical relevance of the results to be predicted. The overall objective of this work was to study the acute predictors of long-term neurofunctional outcomes following a SCI. More specifically, this work consisted of (1) identifying acute predictors of long-term neurological outcomes, (2) determining acute predictors of functional outcomes while determining their relative importance and cut-off, and (3) identifying neurological improvement profiles associated with functional recovery. Firstly, we conducted a systematic review of the literature and identified predictors of long-term neurological outcomes that are related to the patient, SCI, and management characteristics. These predictors were then classified in a new conceptual framework into four categories based on the consistency in the studies and their predictive value. This study highlighted the significant role of the initial neurological variables, as well as the existence of emerging predictors such as cerebrospinal, blood, and radiological biomarkers, which demonstrated a significant association with neurological outcomes although not yet sufficiently studied. Secondly, we conducted a cohort study to determine, the acute predictors of long-term functional outcomes. Using a regression tree, we determined four functional recovery phenotypes based on 3 variables from the initial neurological examination, namely the pinprick sensory score, the lower-extremity ASIA motor score, and the upper-extremity ASIA motor score. This study also defined the cut-off on these variables of interest. Finally, in another cohort study, we identified neurological improvement phenotypes associated with functional recovery. External validation of these results in a large cohort of individuals with SCI from a different population is a necessary next step for the clinical translation of these algorithms. Indeed, the identification of clinical profiles/phenotypes could allow clinicians to better guide and evaluate treatment and rehabilitation strategies for patients with SCI.

Les lésions de la moelle épinière incomplètes (LME) sont associées à des déficits moteurs chroniques. Les thérapies neuroprosthétiques peuvent cibler les voies encore intactes pour traiter les déficits locomoteurs. Puisqu’aucune étude n’a directement comparé l’effet individuel et combiné de la stimulation corticale et spinale sur la récupération de la marche, notre laboratoire a développé une neuroprothèse qui stimule les circuits moteurs corticaux et spinaux en synchronisation avec la marche. Nous avons évalué les effets immédiats de la stimulation corticale et/ou spinale sur la locomotion sur tapis roulant à l’état intact et suivant une LME au niveau thoracique 9 (T9). Les rats ont été implantés avec des électrodes électromyographiques (EMG) dans les muscles des membres postérieurs, une matrice de 32 électrodes dans le cortex moteur et des électrodes au niveau des segments lombaire (L2) et sacré (S1). L’analyse de la cinématique de la marche a démontré une amélioration synergique des mouvements des jambes grâce à la stimulation spatiotemporelle du cortex moteur, de L2 et S1 comparativement aux stimulations individuelles. Les effets à long terme ont été évalués suite à l’intégration de la neuroprothèse cortico-spinale à un protocole de réadaptation de 3 semaines. Sur une tâche d’échelle, les rats entraînés avec la stimulation corticale, avec ou sans stimulation spinale, ont obtenu des performances supérieures, démontrant l’importance de la stimulation corticale pour la récupération du contrôle moteur volontaire. Ces expériences ont permis une compréhension approfondie des réponses motrices spécifiques à chaque type de stimulation selon différents paramètres pour l’optimisation de la neuroprothèse. Nos résultats ont démontré l’importance d’adopter une approche combinée en intégrant la stimulation corticale et spinale et pourront guider de futurs protocoles de réadaptation après une LME. / Incomplete spinal cord injuries (SCI) are associated with chronic locomotor deficits. Neuroprosthetic therapies can target the remaining pathways to treat locomotor deficits. Because no study has directly compared the individual and combined effects of cortical and spinal stimulation on locomotor recovery, our laboratory has developed a neuroprosthesis that stimulates cortical and spinal motor circuits in synchrony with gait. We evaluated the immediate effects of cortical and/or spinal stimulation on treadmill locomotion at the intact sate and following SCI at thoracic level 9 (T9). Rats were implanted with electromyographic electrodes (EMGs) in the hindlimb muscles, a 32-channel array the motor cortex and electrodes over the lumbar (L2) and sacral (S1) spinal segments. Gait analysis demonstrated synergistic improvement in leg movements with the spatiotemporal cortical, L2 and S1 stimulations compared to individual stimulations. Long-term effects were evaluated following the integration of the cortico-spinal neuroprosthesis into a 3-week rehabilitation protocol. In the ladder task, rats trained with cortical stimulation, with or without spinal stimulation, achieved superior performances, demonstrating the importance of cortical stimulation for the recovery of voluntary motor control. These experiments provide a comprehensive understanding of specific motor responses to each type of stimulation under different parameters for the neuroprosthesis optimization. Our results underscore the importance of adopting a combined approach by integrating cortical and spinal stimulation, which could guide future rehabilitation protocols after spinal cord injury.

Cette étude visait à : 1) déterminer le profil d'habiletés et de déplacement (distance et vitesse) des usagers de fauteuil roulant manuel ayant subi une lésion de la moelle épinière, et 2) déterminer la contribution relative des habiletés et de la confiance en fauteuil roulant à la variation observée de la participation sociale. Cinquante-quatre participants ont été évalués. Les résultats suggèrent que le niveau de lésion à la moelle épinière est relié aux habiletés en fauteuil roulant manuel, mais n'est pas associé aux déplacements par propulsion du fauteuil. De meilleures habiletés en fauteuil roulant sont reliées à des déplacements plus importants dans la communauté, l'âge étant un facteur déterminant dans cette relation. De plus, les habiletés et la confiance en fauteuil roulant sont d'importants prédicteurs de la participation sociale à long terme, ce qui suggère d'accorder une attention particulière à ces éléments au cours de la réadaptation.

Le syndrome de l'intestin irritable (SII) touche près de 10% de la population. Nous avons utilisé un modèle animal de SII induit par le butyrate développé au laboratoire afin de décortiquer les mécanismes de l'hypersensibilité colique (HSC) dans le SII. Le blocage du NGF par des anticorps anti-NGF prévient l'HSC induite par le butyrate, évaluée par le test de distension colorectale. Le NGF, quantifié par immunohistochimie (IHC), est surexprimé dans les ganglions rachidiens dorsaux (GRD) innervant le côlon des rats butyrate. Le blocage des canaux ASIC par amiloride prévient l'HSC induite par le butyrate. L'expression des ARNm ASIC1a et ASIC1b, évaluée par RT-PCR, est augmentée dans les GDR des rats butyrate. Cette augmentation est corrélée à une augmentation de l'expression de la protéine ASIC1A dans les neurones nociceptifs, quantifiée par IHC. Le blocage du NGF par des anticorps anti-NGF prévient la surexpression de ASIC1A dans les GRD. L'absence de variation d'expression du NGF et de ASIC1A au niveau colique suggère que ces moléciles ont une implication dans l'élément présynaptique plutôt que dans les terminaisons libres coliques. L'étude de l'expression spinale de la protéine Fos après stimulation des fibres coliques a montré que l'HSC induite par le butyrate est associée à une activation spécifique des segments thoraciques T10-T11-T12 de la moëlle épinière (MEp). Le blocage spinal du canal ASIC1A par la PcTx1 prévient l'HSC induite par le butyrate. L'expression de ASIC1a, évaluée par RT-PCR et Western blot, est augmentée dans la MEp des rats butyrate. Comme à la périphérie, l'expression de ASIC1a est modulée par le NGF puisque le blocage du NGF prévient la surexpression des ARNm et de la protéine ASIC1A dans la MEp des rats butyrate. En conclusion, ce travail de thèse suggère que le NGF et le canal ASIC1A jouent un rôle critique dans le développement de douleurs viscérales en contribuant à la fois à la sensibilisation périphérique et centrale.

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique. / Spinal cord injury has a significant impact on quality of life since it can lead to motor (paralysis) and sensory deficits. These deficits evolve in time as reorganisation of the central nervous system occurs, involving physiological and neurochemical mechanisms that are still not fully understood. Given that both the severity of the deficit and the successful rehabilitation process depend on the anatomical pathways that have been altered in the spinal cord, it may be of great interest to assess white matter integrity after a spinal lesion and to evaluate quantitatively the functional state of spinal neurons. The great potential of magnetic resonance imaging (MRI) lies in its ability to investigate both anatomical and functional properties of the central nervous system non invasively. To address the problem of spinal cord injury, this project aimed to evaluate the benefits of diffusion-weighted MRI to assess the integrity of white matter axons that remain after spinal cord injury. The second objective was to evaluate to what extent functional MRI can measure the activity of neurons in the spinal cord. Although widely applied to the brain, diffusion-weighted MRI and functional MRI of the spinal cord are not straightforward. Various issues arise from the small cross-section width of the cord, the presence of cardiac and respiratory motions, and from magnetic field inhomogeneities in the spinal region. The main purpose of the present thesis was therefore to develop methodologies to circumvent these issues. This development notably focused on the optimization of acquisition parameters to image anatomical, diffusion-weighted and functional data in cats and humans at 3T using standard coils and pulse sequences. Moreover, various strategies to correct for susceptibility-induced distortions were investigated and the sensitivity and specificity in spinal cord functional MRI was studied. As a result, acquisition of high spatial and angular diffusion-weighted images and evaluation of the integrity of specific spinal pathways following spinal cord injury was achieved. Moreover, functional activations in the spinal cord of anaesthetized cats was detected. Although encouraging, these results highlight the need for further technical and methodological development in the near-future. Being able to develop a reliable neuroimaging tool for confirming clinical parameters would improve diagnostic and prognosis. It would also enable to monitor the effect of various therapeutic strategies. This would certainly bring hope to a large number of people suffering from trauma and neurodegenerative diseases such as spinal cord injury, tumours, multiple sclerosis and amyotrophic lateral sclerosis.

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur. / Pain is a subjective experience comprising multiple dimensions and is accompanied by physiological responses. These responses are regulated by neural processes that play a crucial role in cerebral and spinal modulation of pain. However, the mechanisms of this regulation are still not clear and a better understanding of these processes is essential in order to treat pain effectively. The four studies of this thesis were intended to define the central mechanisms of endogenous pain modulation by counterirritation (application of two competing noxious stimuli) and to investigate the dysfunction of these mechanisms in female patients with irritable bowel syndrome (IBS). First, an experimental model was developed in which functional magnetic resonance imaging was used to measure brain activity concurrently to the recording of the nociceptive flexion reflex (RIII: an index of spinal nociceptive processes) and skin conductance responses (SCR: an index of sympathetic activation). The first study indicates that individual differences in shock-evoked brain activity in the orbitofrontal (OFC) and cingulate cortices are associated with individual differences in pain sensitivity, motor reactivity (RIII), and autonomic reactivity (SCR) in healthy volunteers. In the second study, it is shown that counterirritation analgesia produced in healthy volunteers is accompanied by the inhibition of the amygdala by the OFC, and the inhibition of the RIII reflex by the periacqueductal gray matter (PAG) and the primary somatosensory cortex (SI). In the third and fourth studies, pain and RIII reflex were not significantly modulated by counterirritation in patients with IBS in comparison to healthy controls. Furthermore, the severity of psychological symptoms was associated with pain modulation deficits and diffuse hypersensitivity in IBS patients. Together, the results of these studies clarify the functions of pain-related activity in specific brain structures and the mechanisms underlying counterirritation analgesia. Moreover, it is concluded that patients with IBS show a dysfunction of cerebral and spinal processes involved in both the perception and modulation of pain.

Le récepteur B1 des kinines (RB1) joue un rôle important dans l'inflammation et la nociception. Les sites de liaison du RB1 sont augmentés dans la moelle épinière et le ganglion de la racine dorsale (GRD) chez le rat après la ligature partielle du nerf sciatique (LPNS). Dans ce modèle classique de douleur neuropathique, le traitement aigu avec des antagonistes sélectifs du RB1 renverse l'hyperalgésie thermique mais non pas l’allodynie. Cette étude vise à définir dans ce modèle de LPNS: 1- les effets de traitements aigu et chronique avec des antagonistes du RB1 sur l’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid; 2- la contribution du TRPV1 et du stress oxydatif dans la composante de la douleur neuropathique associée au RB1; 3- l’expression du RB1 au niveau de la moelle épinière lombaire, le GRD et le nerf sciatique par RT-PCR quantitatif (Reverse transcriptase-polymerase chain reaction); 4- la localisation cellulaire du RB1 dans la moelle épinière lombaire par microscopie confocale. L’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid ont été mesurées par le réflexe de retrait de la patte arrière après l’application à la surface plantaire d’une source radiante de chaleur (méthode Hargreaves), de filaments de Von Frey et d’une goutte d’acétone qui produit une sensation de froid par évaporation. Nous avons montré, dans un premier temps, que l'hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid sont renversées par un traitement chronique avec l’antagoniste du RB1, SSR240612, administré par gavage à raison de 10 mg /kg/jr entre le 15 e et le 20 e jour après la ligature du nerf sciatique et par un traitement antioxydant, la N-acétyl-L-cystéine, administrée par gavage à la dose de 1g/kg/jr, 4jours précédant la ligature et pendant les 2 semaines après la ligature. Un traitement aigu avec le ii SSR240612 (10 mg/kg) ou avec un antagoniste du RB1 qui ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique, le R-954 (2mg/kg, s.c.), n’a bloqué que l’hyperalgésie thermique. Dans un second temps, l’antagoniste du TRPV1, le SB366791, administré à raison de 1 mg/kg/jr par voie sous-cutanée du j-1 au j-14 a renversé l’allodynie tactile et l’hyperalgésie thermique. De plus, nous avons noté deux semaines après la LPNS, des augmentations significatives des niveaux d'ARNm du RB1 dans la moelle épinière lombaire, le nerf sciatique et le GRD du côté ipsilatéral à la ligature. Ces augmentations ont été renversées par le traitement avec la N-acétyl-L-cystéine et l’antagoniste du TRPV1. Le RB1 a été localisé au niveau des fibres de type C avec le marquage au CGRP (Calcitonin Gene-Related Peptide) et au niveau de la microglie utilisant le marquage au Iba-1 dans la moelle épinière lombaire des rats ayant subi une LPNS, 2 semaines plus tôt. Au terme de cette étude, nous avons suggéré que la surexpression du RB1 sur les fibres de type C contribuerait à l’hyperalgésie thermique alors que le RB1 sur la microglie dans la moelle épinière contribuerait aux allodynies tactile et au froid dans le modèle LPNS chez le rat. Le stress oxydatif pourrait être impliqué dans l’induction du RB1. Bien que le rôle du TRPV1 semble plutôt limité à la douleur thermique, il pourrait cependant agir via le RB1 sur les fibres de type C. / The kinin B1 receptor (B1R) plays an important role in inflammation and nociception. B1R binding sites are increased in the spinal cord and dorsal root ganglion (DRG) in rats after partial sciatic nerve ligation (PSNL). In this classic model of neuropathic pain, acute treatment with selective B1R antagonists reversed thermal hyperalgesia but not allodynia. This study aims at determining in this model of PSNL: 1- the acute and chronic effects of B1R antagonists on thermal hyperalgesia and tactile and cold allodynia; 2- the contribution of TRPV1 and the oxidative stress in the component of neuropathic pain associated to B1R; 3 - the expression of B1R in the lumbar spinal cord, the DRG and the sciatic nerve by quantitative RT-PCR (Reverse transcriptase-polymerase chain reaction); 4 - the cellular localization of B1R in the lumbar spinal cord by confocal microscopy. Thermal hyperalgesia and tactile and cold allodynia were measured by the reflex withdrawal of the hindpaw after application to the plantar surface of a radiant heat source (Hargreaves method), Von Frey filaments and a drop of acetone that produces a sensation of cold by evaporation. We have shown, firstly, that the thermal hyperalgesia and tactile and cold allodynia are reversed by chronic treatment with the B1R antagonist, SSR240612, administered by gavage at a dose of 10 mg/ kg / day from day 15 to day 20 after sciatic nerve ligation and with antioxidant treatment, N-acetyl-L-cysteine, administered by gavage at a dose of 1g /kg/ day, four days before ligation and for two weeks after ligation. Acute treatment with SSR240612 (10 mg/kg) or with the B1R antagonist R-954 (2 mg/kg, s.c.) which does not pass the blood-brain barrier blocked thermal hyperalgesia only.