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

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les douleurs neuropathiques ayant une origine à la suite de blessures traumatiques du SNC ou du SNP sont particulièrement difficiles à traiter en utilisant les moyens thérapeutiques actuellement disponibles. Il est donc nécessaire d'identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques. Notre objectif était donc de définir les mécanismes impliqués dans ces douleurs neuropathiques. LIMK1 est l'un des acteurs possibles de la réorganisation épinière qui caractérise les lésions nerveuses. Une fonction très caractérisé de cette protéine, est la phosphorylation d'une famille de protéines appelées « cofilines ». Sa phosphorylation, ce qui induit la réorganisation du cytosquelette d'actine. Récemment, il a été montré qu’un microARN (miARNs) nomé miR-134 régule l'expression de LIMK1 en se liant au messager de LIMK1 (ARNm), inhibant sa traduction en protéine physiologiquement active. Notre hypothèse était que la régulation de LIMK1 par miR-134 pourrait jouer un rôle essentiel dans la sensibilisation à la douleur. Cette régulation pourrait ainsi être liée non seulement à la modulation neurochimique neuronale mais aussi à la plasticité fonctionnelle associée. Au cours de cette thèse, l’HIS a montré une diminution de miR-134 chez des rats SNL (neuropathique), cette sous-expression était concomitante à une augmentation de LIMK1 illustrée par l’IHC. Il est important de noter ici que l'ISH est une méthode de détection connue récemment et qui a été identifiée pour visualiser les miARNs. Des différents protocoles de l’HIS ont également été discutés dans le cadre de cette thèse. Ce résultat a été confirmé par Le qRT-PCR . Par la suite, afin de vérifier les changements comportementaux douloureux induits par miR-134 et LIMK1. Nous avons effectués des injections intrathécales de siRNA anti-LIMK1 pour inhiber l'expression endogène de LIMK1 chez les SNL. C’était intéressant de ne pas avoir trouvé aucun changement comportemenal chez les SNL après ce type d’injection. Une surexpression artificielle de miR-134 en utilisant un précurseur de miR-134 (premiR-134) chez les SNL a montré le même effet. Ensuite, nous avons essayé d'effectuer les mêmes injections chez les Sham (control), et c’était plus intéressant de trouver que ces injections (siRNA LIMK1 et premiR-134) ont provoqué une hypersensibilité douleureuse chez les sham. Cela a été illustré au moyen de deux tests de comportement; le Von Frey (VF) et la distribution pondérale dynamique (DWB). Pour etudier l'effet inverse, nous avons inhibé miR-134 en utilisant une sonde spécifique KD (Knock-Down); une diminution significative inattendue dans le seuil de retrait a été observée avec VF et DWB. qRT-PCR dans la plupart de ces cas, a confirmé la corrélation in vivo entre miR-134 et LIMK1. Enfin, nous avons cherché un mécanisme d'action possible qui pourrait réguler cette modulation. Des données récentes publiées ont montré une implication de l'ADF/cofiline sur le trafic des récepteurs AMPA (AMPAR). En accord avec les résultats mentionnés ci-dessus, la transfection du KD de miR-134 a montré une diminution dans AMPAR adressés à la membrane plasmique. Tout ensemble ces données suggèrent que l'effet antinociceptif de KD de miR-134 et la surexpression de LIMK1 sont indirectement régulé par l'insertion des AMPAR à la membrane plasmique.Il semble que miR-134 exerce un effet différent sur la douleur neuropathique que miR-103, discuté aussi dans le cadre de cette thèse. Il était demontré comme un régulateur de plusieurs cibles, les trois sous-unités formant les canaux calciques de type-L « Cav1.2 LTC ». MiR-103 a été trouvé également réprimés chez les SNL. La surexpression de miR-103 soulage la douleur neuropathique. Contrairement au miR-134, miR-103 exerce un rôle pronociceptive pendant la douleur neuropathique. / Pains having a neuropathic origin following CNS or PNS traumatic injury are particularly difficult to treat using the actually available therapeutic means. It is thus necessary to identify new therapeutic strategies. Hence, our aim was to define the mechanisms implicated in these neuropathic pains. Nervous lesions are characterised by an anatomical reorganization of the neuronal network of the dorsal horn. Neurochemical alterations are also involved. Some of the molecular mechanisms underlying the neuronal plasticity (a main feature of neuropathic pain) have been emphasized here by a variety of complementary technical approaches. LIMK1 is one of the possible actors of this reorganization. Among this protein’s known functions, and the most characterized is the phosphorylation of a family of proteins known as cofilins. Their phosphorylation induces the reorganization of actin cytoskeleton. Recently, it has been shown that a miR-134 miRNA regulates LIMK1 expression by binding to the LIMK1 messenger, inhibiting its translation into physiologically active protein. Our hypothesis is that LIMK1 regulation by miR-134 might play an essential role in pain sensitization by modulating neuron neurochemical reorganization and the associated functional neuronal plasticity. Firstly, by means of IHC and ISH, we studied miR-134/LIMK1 distribution within the dorsal horn of the spinal cord in sham animal (control group) and in neuropathic pain model (SNL model). Important to note here that ISH is a known detection method recently identified to visualize miRNA. Different protocols of ISH were discussed in a part of this thesis. ISH showed a decrease in miR-134 expression in SNL rats concomitantly with an increase in LIMK1 illustrated by IHC. This finding has been confirmed by qRT-PCR techniques. Afterward, in order to check for the possible behavioural-induced changes of miR-134 and LIMK1. We intrathecally injected an anti-LIMK1 siRNA to inhibit endogenous LIMK1 expression in SNL rats. Interestingly no significant changes in pain behaviour have been observed. Artificial overexpression of miR-134 using a PremiR-134, showed the same effect. Then we tried to perform the same injections on sham rats, and more interestingly, siRNA LIMK1 and premiR-134 evoked pain hypersensitivity in shams rats. This was illustrated by means of two behaviour tests; Von Frey (VF) and the Dynamic Weight bearing (DWB). To explore the reverse effect, we inhibited miR-134 using a specific KD probe in SNL rats; unexpectedly a significant decrease in pain withdrawal threshold was observed with VF and DWB. qRT-PCR in most cases confirmed the in vivo correlation between miR-134 and LIMK1. Finally, we searched for the possible mechanism of action that could regulate this modulation. Recent published data showed an involvement of ADF/cofilin on AMPAR trafficking. In line with the above mentioned findings, miR-134 KD transfection showed a decrease in AMPAR addressed to the plasma membrane. Altogether suggest that the antinociceptive effect of miR-134 KD and LIMK1 overexpression are mediated by AMPAR insertion at the plasma membrane. It seems that miR-134 exerts a different effect on neuropathic pain than miR-103 another miRNA discussed within the frame of this thesis. MiR-103 has been proved to regulate multiple targets, the three subunits forming Cav1.2 LTC. Pain sensitization involves Cav1.2 activation which consequently alters gene expression during this form of plasticity. MiR-103 was found downregulated also in the SNL model. Conversely to miR-134, overexpression of miR-103 partially alleviates pain. It decreases pain withdrawal threshold of the Von Frey test. Unlike miR-134, miR-103 exerts a pronociceptive role during neuropathic pain.

La mise en place des projections axonales est une étape clé du développement des circuits de la moelle épinière qui contrôle les fonctions motrices de l’individu. Il s’agit d’un processus complexe impliquant des mécanismes de spécification des neurones moteurs et des signalisations multiples assurant le guidage spécifique de chaque axone jusqu’à sa cible d’innervation. Les Sémaphorines de classe 3 (Sema3) sont des molécules secrétées dans l’environnement qui participent notamment au guidage des axones moteurs de la moelle épinière. De manière surprenante, les motoneurones expriment également eux-mêmes des Sema3. Mon équipe a déjà montré que l’expression intrinsèque de Sema3A par les motoneurones module leur sensibilité au Sema3A de l’environnement. Ce processus s’effectue par une régulation du niveau de son récepteur à la surface du cône de croissance, la structure terminale de l’axone responsable de la perception des signaux de guidage extracellulaires (Moret et al., 2007). Quelle est la portée de ce nouveau mécanisme modulatoire et peut-il être généralisé à d’autres membres de la famille des Sema3 exprimés dans les motoneurones ? Mon travail de thèse a permis de mettre en évidence ce rôle modulatoire d’un autre membre de la famille Sema3 : Sema3C, dons l’expression est restreinte à une sous-population de motoneurones, en plus d’une expression environnementale. Par des expériences de gain et de perte de fonction dans l’embryon de poulet, nous avons montré que l’expression motoneuronale de Sema3C module de manière différentielle ses deux récepteurs du niveau de récepteur entraînent une modulation de réponse à Sema3C mais aussi à Sema3A et Sema3F, qui se fixent respectivement sur Nrp1 et Nrp2. De plus, nous avons étudié la portée de ce mécanisme de modulation dans l’innervation des membres de l’embryon de poulet, ce modèle permettant l’étude des projections motoneuronales dans un environnement riche en Sema3. Ainsi, l’analyse in vivo des embryons de poulet pour lesquels l’expression intrinsèque de Sema3C dans les motoneurones a été manipulée a permis de montrer que la modulation de réponse aux Sema 3 de l’environnement contribue au positionnement stéréotypé des projection motrices dans le membre antérieur. Ce travail permet donc de proposer que l’expression d’un code de Sema 3 par les motoneurones confère aux différentes sous-populations une sensibilité spécifique aux gradients de Sema 3 présents dans l’environnement et assure ainsi une trajectoire stéréotypée des axones moteurs jusque dans leur territoire cible. / During spinal circuit’s development, the implementation of axonal projections is a key step as it ensures the integrity of motor functions. This complex process implicates several mechanisms such as motoneuton specification and various signaling cascades in order to guide specifically each axon toward its innervation target. Class 3 Semaphorins (Sema3s) are chemotactic cues, secreted in the environment, and contributing to the guidance of spinal motor axons. Surprisingly, these Sema3s are also expressed by motoneurons themselves. Previous work in our team showed that intrinsic expression of Sema 3A. This process arises from the regulation of its receptor availability at the growth cone surface, the terminal end of the axon that enables sensing of extracellular signals (Moret et al., 2007). But in what extent can we generalize this mechanism to other members of the Sema3 family, and what impact could it have, in vivo, during development? My PhD work revealed the modulatory role of another Sema3, Sema3C, expressed in a restricted motoneuronal subpopulation as well as in the environment. By again and loss of function experiments in the chick embryo, we showed that motoneuronal expression of Sema3C modulates differentially its two Neuropilin receptor level, Nrp1 and, Nrp2, at the growth cone surface. These variations of receptors’ availability lead to a response modulation to extrinsic Sema3, but also to Sema3A and Sema3F, that bind to Nrp1 and Nrp2, respectively. Moreover, we analyzed the role of such modulation mechanisms during limb innervation in the chick embryo. Indeed, this model enables the study of motor axon growth in a complex Semaphorin environment. In vivo analysis of chick embryos after intrinsic Sema3C manipulations revealed that response modulation to environmental Sema3s takes part in the stereotyped positioning motor axon projections in the forelimb. Hence, this Study suggest a model in which the expression of a Semaphorin code by motoneurons enables specific subpopulations to modulate their sensitivity Sema3 gradients expressed in their environment, thus contributing to the stereotyped trajectories of motor axon projections towards their final target.

La locomotion implique l'activité coordonnée de réseaux d'interneurones spinaux inhibiteurs et excitateurs qui génèrent le rythme et le pattern de la décharge des motoneurones et de la contraction musculaire. La maturation de la transmission inhibitrice au niveau des motoneurones chez le rat se produit durant la période périnatale. Dans cette fenêtre temporelle, les projections provenant du tronc cérébral commencent à envahir l'élargissement lombaire de la moelle épinière. Nous avons étudié les effets du blocage de la mise en place des afférences supraspinales dans la moelle lombaire par transection complète de la moelle épinière (SCT) à la naissance (P0), sur l'expression des sous-unités des récepteurs GABAA et glycine (RcGABAA et RcGly) au niveau des motoneurones lombaires. Nous concluons en une plasticité différentielle des récepteurs de l'inhibition en réponse à une section spinale néonatale. La première étape de notre seconde étude était d'évaluer les modifications de la transmission synaptique inhibitrice sur des motoneurones lombaires innervant des muscles fléchisseurs et extenseurs après SCT complète chez des rats adultes. Une étude longitudinale a montré une évolution différentielle de l'expression des RcGly et des RcGABAA au cours des mois qui suivent la lésion mais qui est a peu près identique sur les Mns fléchisseurs et extenseurs. Nos résultats montrent que chez les rats avec SCT, l'entrainement permet d'acquérir une « locomotion spinale » qui résulte d'interactions dynamiques entre un programme moteur dans la moelle sous lésionnelle, et des feedback proprioceptifs. / Maturation of inhibitory postsynaptic transmission onto motoneurons in the rat occurs during the perinatal period, a time window during which pathways arising from the brainstem reach the lumbar enlargement of the spinal cord. There is a developmental switch in miniature IPSCs (mIPSCs) from predominantly long-duration GABAergic to short-duration glycinergic events. We investigated the effects of a complete neonatal [postnatal day 0 (P0)] spinal cord transection (SCT) on the expression of Glycine and GABAA receptor subunits (GlyR and GABAAR subunits) in lumbar motoneurons. In P7 animals with neonatal SCT (SCT-P7), the GlyR densities were unchanged compared with controls of the same age, while the developmental down regulation of GABAAR was prevented. After spinal cord injury, the disruption of flexion/extension and left-right alternations is largely attributed to a deterioration of the inhibitory circuitry below the lesion, but most of the cellular mechanisms are still unknown. Our aim of this was to measure the alteration of the GABA and glycinergic synaptic transmission on lumbar motoneurons (Mns) after spinal cord transection (SCT) in the adult rat, and evaluate the benefit of manual training and stepping recovery on the inhibitory networks. All in all our results show that, the presynaptic and postsynaptic components of the glycinergic synapses are relatively preserved on lumbar Mns. We developed a manual training procedure, based on daily alternate phases of imposed stepping and free walking in enriched environment. Pharmacological treatment with 5-HT2 receptor agonists allowed a standing recovery and alternate stepping.

La Sclérose en Plaques (SEP) est la plus fréquente des maladies neurologiques acquises conduisant à un handicap chez l’adulte jeune. Le repérage précoce des patients susceptibles d’évoluer vers un handicap est un enjeu majeur afin de proposer un traitement adapté. Dans ce domaine, l’imagerie par résonnance magnétique (IRM) a complètement modifié la prise en charge des patients. Dans cette thèse, deux pistes sont explorées en vue d’améliorer le caractère pronostique de l’imagerie réalisée en début de maladie. Une première partie est consacrée aux apports potentiels de l’imagerie médullaire. Une deuxième partie s’intéresse à l’imagerie spécifique de l’inflammation par USPIO. La première partie de cette thèse correspond à un projet longitudinal et multicentrique intitulé EMISEP. Il vise à mesurer l’atteinte tissulaire médullaire en IRM conventionnelle et quantitative chez les patients atteints de SEP rémittente débutante, puis à étudier son lien avec le handicap ambulatoire à 5 ans. Aucune donnée n’était disponible concernant la variabilité en multicentrique des métriques issues de l’IRM médullaire quantitative. Notre première étude est donc consacrée à l’évaluation de la variabilité de la mesure du ratio de transfert d’aimantation (MTR) médullaire chez les sujets sains. Nous avons montré que la variabilité globale de la mesure du MTR médullaire était modérée avec un coefficient de variation de l’ordre de 3 %. Dans une deuxième étude, nous avons analysé les mesures de MTR initiales chez les patients SEP rémittents, comparativement à une population contrôle, afin de détecter une atteinte médullaire précoce. Nous avons mis en évidence une diminution significative des valeurs de MTR chez les patients comparés aux contrôles, mesurable dans la moelle épinière d’apparence normale et plus marquée proche de son centre et de sa périphérie. Puis nous avons réalisé une troisième étude centrée sur les voies motrices, particulièrement fonctionnelles. Nous avons quantifié spécifiquement l’atteinte du tractus cortico-spinal encéphalique et médullaire en IRM et évalué ses conséquences fonctionnelles cliniquement et en électrophysiologie. Nous avons montré que cette atteinte est fréquente, d’étendue très variable selon les patients, et qu’elle prédomine sur le segment médullaire des voies motrices. La sévérité de l’atteinte focale mesurée en imagerie en début de la maladie est déjà corrélée à ses conséquences cliniques et électrophysiologiques. Enfin, l’étude longitudinale, permettant d’évaluer le caractère pronostique de l’atteinte médullaire focale et diffuse précoce est en cours. La deuxième partie de cette thèse correspond à une autre étude longitudinale intitulée USPIO-CIS. Ses objectifs étaient d’étudier les prises de contraste USPIO comparativement au gadolinium dans une population de patients ayant un syndrome cliniquement isolé et d’évaluer leur rôle pronostique à moyen terme (3 ans). Nous avons montré que les prises de contraste USPIO sont rarement visualisées comparativement aux prises de contraste après injection de gadolinium dans cette population, mais sont associées à une déstructuration tissulaire initiale majeure, qui diminue progressivement au cours de la première année. Elle reste cependant plus marquée dans les lésions initialement USPIO positives comparées aux lésions seulement positives pour le gadolinium à 3 ans. En conclusion, nos travaux ont montré que l’atteinte médullaire est précoce chez les patients ayant une SEP rémittente, de sévérité variable selon les patients et intéresse notamment des zones très fonctionnelles comme les voies motrices. Son rôle pronostique, prometteur, est en cours d’évaluation. L’imagerie spécifique de l’inflammation par USPIO permet quant à elle d’expliquer les différents degrés de sévérité des lésions focales à moyen terme, mais les risques liés à son utilisation chez l’homme compromettent son potentiel comme outil pronostique en routine clinique. / Multiple Sclerosis (MS) is the most frequent acquired neurological disease leading to disability in young adults. In clinical practice, the identification of patients at risk of disability is a major issue, in order to adapt the treatment. Thus, prognostic factors are needed from the diagnosis and the very first years of the disease. In this area, MRI potentially has a crucial role. Two main avenue will be investigated in this work. The first part will be dedicated to spinal cord quantitative MRI and the second part to inflammation imaging using ultra-small paramagnetic iron oxides (USPIO). The first part of this work is a longitudinal, multicenter project called EMISEP. Its objectives are to quantify the structural damage of the spinal cord in early relapsing remitting MS patients, and to describe the link between spinal cord damage and walking disability at 5 years. In a first study, we assess the multicenter variability of magnetization transfer ratio (MTR) measurements in the spinal cord of healthy controls, before investigating this metric in MS patient. We demonstrate that the overall variability of the MTR measurements is low, with a coefficient of variation of 2.9%. The between-session variability represents the major part of the overall variability, compared to between-scanner variability. These results pave the way for multicenter analyses in MS patients. In a second study, we analyze MTR measurement in the spinal cord of early relapsing-remitting MS compared to controls. The MTR values are significantly lower in patients than controls, even after excluding lesions. We observe a greater mean reduction in MTR for vertebral levels displaying the highest lesion loads (C2-C4) and at the spinal cord periphery and barycentre. A third study focuses on the motor tracts. We specifically evaluate the cortico-spinal tracts damage in it brain and spinal cord portion and the functional consequences from the electrophysiological and the clinical point of view. The focal damage on CSTs is very frequent in our cohort of early RRMS patients. The spinal cord portion of the CSTs is the most affected by lesions, with a substantial variability between patients. We already find significant associations between the lesion volume fraction in the CSTs and clinical and electrophysiological motor tracts related abnormalities. Finally, longitudinal studies are ongoing to evaluate the prognostic value of initial spinal cord and cortico-spinal tract damage on subsequent ambulatory disability 5 years later. The second part of this work is another longitudinal study called USPIO-CIS. Its objectives are to describe the USPIO enhancement compared to gadolinium enhancement in a population of clinically isolated syndrome patients and to study their 3-years prognostic value. We demonstrate that USPIO enhancements are rare compared to gadolinium enhancement, and transient. USPIO positive lesions are associated with greater damage than gadolinium positive only lesions at baseline and throughout the 3-year follow up. In conclusion, our work demonstrates that spinal cord involvement is measurable using quantitative MRI in early relapsing remitting MS, even in a multicenter context. This early spinal cord damage is highly variable among patients, and is present in very functional tracts such as the cortico-spinal tracts. The prognostic value of this early damage is promising and will be evaluated in ongoing longitudinal studies. Inflammation imaging using USPIO is promising to explain the various degree of MS lesion severity. However, the risks associated with USPIO compromise it used as a prognostic tool in clinical routine.

La locomotion, comme toute autre forme d'activité physique, mobilise le système nerveux autonome pour faire face à la demande physiologique croissante. Ces réponses autonomes impliquent un couplage entre les activités motrices sympathiques et somatiques. De manière intéressante, à la fois les réseaux locomoteurs spinaux, ainsi que les neurones préganglionnaires sympathiques intermédiolatéraux (IMLs) sont les cibles d’une modulation par le système cholinergique propriospinal. Dans ce contexte, le but de mon travail doctoral a été d'étudier le rôle du système cholinergique propriospinal dans la coordination entre ces deux systèmes. En utilisant une préparation de moelle épinière de rat nouveau-né isolée in vitro, nous avons montré que l’acétylcholine pourrait permettre un couplage entre les réseaux locomoteurs et sympathiques via l’activation de récepteurs muscariniques. En effet, l'oxotrémorine, un agoniste non-sélectif de ces récepteurs, induit une activité rythmique lente bloquée par des antagonistes des récepteurs muscariniques M1, M2, M3 et M4. De plus, l’oxotrémorine permet de révéler des capacités rythmogènes endogènes de la moelle épinière thoracique. Nous avons observé que les motoneurones thoraciques étaient rythmiquement actifs à la fois durant des épisodes de locomotion fictive et lors de l’application d'oxotrémorine. A l’inverse, les IMLs présentaient une activité rythmique uniquement en présence d'oxotrémorine. Cette étude fournit ainsi de nouveaux éléments concernant les processus neuronaux à l'origine du couplage entre les systèmes somatiques et sympathiques. Nous proposons ici que ces mécanismes de synchronisation sont réalisés en partie via un réseau intraspinal pouvant être activé conditionnellement par le système cholinergique propriospinal. / Locomotion, as any other forms of physical activity, mobilizes the autonomic nervous system to match the increasing physiological demand. These autonomic responses mostly rely on the coupling between sympathetic and somatic motor activities. The propriospinal cholinergic system plays an important role in the control of locomotor networks, and several lines of evidences suggest that it may also activate sympathetic preganglionic neurons from the intermediolateral nucleus (IMLs). The aim of my doctoral thesis was to investigate the role of the cholinergic propriospinal system in the coordination between these two systems. Using the in vitro isolated spinal cord from new born rat, we showed that application of acetylcholine synchronized the locomotor and sympathetic networks, via the activation of muscarinic receptors. Indeed, the non-selective agonist oxotremorine induced slow rhythmic activity blocked by M1, M2, M3 and M4 muscarinic receptor antagonists. In addition, oxotremorine revealed endogenous rhythmogenic capabilities of the thoracic segments. This slow oscillatory activity propagated from thoracic ventral roots to lumbar ones, but not the reverse. We observed that thoracic MNs were rhythmically activated during both locomotorlike activity and oxotremorine-induced rhythm. In contrast, IMLs were rhythmically activated solely in the presence of oxotremorine. This study provides new light on the origin of the coupling between the somatic and the sympathetic systems. We propose that synchronizing mechanisms are achieved in part by an intraspinal network which may be activated under the control of the cholinergic propriospinal system.

Les systèmes neuromodulateurs jouent un rôle essentiel dans la mise en place et dansla régulation des réseaux moteurs spinaux afin d’adapter finement le rythme et le patronlocomoteur aux contraintes internes et externes de l’organisme. Il a été montré que desaltérations du fonctionnement de ces systèmes étaient impliquées dans de nombreusespathologies neurologiques. La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladieneurodégénérative caractérisée par la perte des neurones moteurs corticaux et spinaux. Bienque les symptômes de la SLA n’apparaissent qu’à l’âge adulte, de plus en plus d’élémentsamènent à penser que des modifications précoces des réseaux locomoteurs spinaux ont lieudès les stades précoces du développement chez un modèle animal de la SLA, la souris SOD1.C’est dans ce cadre général que nous avons émis l’hypothèse que des altérations précoces dessystèmes neuromodulateurs pourraient intervenir dans la physiopathologie de la SLA. Dansun premier temps, nous avons comparé la modulation monoaminergique des réseaux moteursspinaux en réalisant des enregistrements extracellulaires de l’activité locomotrice générée parla préparation de moelle épinière isolée chez la souris nouveau-née sauvage et SOD1. Nousnous sommes ensuite attachés en combinant des enregistrements électrophysiologiques extraetintracellulaires avec des techniques d’immunohistochimie et de biologie cellulaire à décrirela mise en place et l’évolution avec l’âge des synapses cholinergiques reçues par lesmotoneurones en provenance d’interneurones de la lamina X : les boutons en C. Enfin, nousavons initié une approche (1) comportementale sur le long terme de l’activité motrice dessouris SOD1 et (2) des capacités plastiques des synapses glutamatergiques reçues par lesmotoneurones en culture. L’ensemble de ces travaux, nous a permis de mettre en évidence desaltérations précoces et évolutives des principaux systèmes neuromodulateurs spinaux:cholinergique, dopaminergique et noradrénergique chez les animaux SOD1. Nos résultatsmontrent pour la première fois (1) qu’une dynamique complexe des récepteurs M2 sous lesboutons en C existe et que celle-ci est perturbée chez les souris SOD1 et (2) que lesmotoneurones ne sont pas les seuls neurones à dégénérer dans la moelle de ces animaux maisque les neurones cholinergiques de la lamina X situés dans les segments lombaires L2 sontaussi la cible de processus neurodégénératifs. / Neuromodulatory systems play a crucial role in the establishment and regulation ofspinal motor networks to finely adjust the locomotor rhythm and pattern to the internal andexternal constraints. It is now well admitted that alterations in neuromodulatory functions areinvolved in diverse neurologic disorders. Amyotrophic lateral sclerosis is a neurodegenerativedisease characterized by the specific loss of cortical and spinal motor neurons. A growingbody of evidence now suggests that although ALS syndromes occur in adulthood, alterationscan be detected as early as at the embryonic stages in the spinal cord of the rodent model ofALS, the SOD1 mouse. In this context, we hypothesized that early alterations in the spinalneuromodulatory systems may be involved in the pathophysiology of ALS. To answer thisquestion, in a first step, we compared the monoaminergic modulation of spinal network byrecording extracellularly the fictive locomotion produced in the in vitro spinal cordpreparation form newborn wild-type and SOD1 mice. By combining extra- intracellularrecordings with immunohistochemical and cellular biology technics, we aimed, in a secondstep, to investigate the cholinergic synapses arising onto motoneurons and their neuronalsource, the lamina X interneurons as a function of the mouse age. Finally, we initiated (1) aninnovative behavioural study of mouse motor habits and (2) an analysis of the synapticplasticity of glutamatergic synapses imping on motoneurons in culture. Altogether, our datademonstrated early and progressive changes of the major spinal neuromodulatory systems:cholinergic, dopaminergic and noradrenergic. Our data show for the first time that: (1) M2receptors undergo a complex dynamic under C-bouton that is completely disturbed in SOD1motoneurons and (2) motoneurons are not the only cellular subtype to degenerate in SOD1mice. Indeed, we found evidence that neurodegenerative processes also target lamina Xcholinergic interneurons in the SOD1 spinal cord.

Au cours des 10 dernières années, le laboratoire de JP Hugnot s’est concentré sur les différents pools de progéniteurs et de cellules souches trouvés dans la moelle épinière adulte, chez l’homme comme chez la souris. Ceci est important pour mener ce type de recherche car la moelle épinière est affectée par plusieurs maladies neurodégénératives telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et des lésions traumatiques pour lesquelles il n'existe pas de traitement curatif. Chez des animaux comme le poisson zèbre, la moelle épinière peut se régénérer après une lésion en raison de l'activation de progéniteurs / cellules souches endogènes. Ainsi, en recherchant la présence et les propriétés de telles cellules chez les mammifères, en particulier les humains, on pourrait exploiter ces cellules pour la régénération, y compris les neurones. Nous avons procédé au profilage de l'ARN pour comparer la niche de cellules souches humaine et de souris et la niche de cellules souches de souris de la moelle épinière lésée ou non lésée. Cette niche est particulièrement intéressante dans la mesure où, chez les anamniotes, les cellules de l'épendymoglie radiale situées dans cette région sont multipotentes et peuvent générer de nouveaux motoneurones après une lésion. et des cellules similaires, mais non identiques, sont présentes chez la souris. Chez les mammifères, après la lésion, ces cellules de niche prolifèrent et migrent activement pour générer principalement des cellules astrocytaires et peu d'oligodendrocytes qui participent à la cicatrice gliale et à la régénération en fournissant un facteur neurotrophique tel que le CNTF, le HGF et l'IGF-1. Cette niche contient au moins 5 types de cellules et un nouveau type de cellules dorsales exprimant les facteurs de transcription Msx1 et Id4 a été identifié. Ces résultats indiquent que la niche de la moelle épinière adulte chez la Souris et chez l'homme est une mosaïque de cellules ayant différentes origines développementales et conservant des niveaux élevés de gènes de développement neural. Les interactions gliales-neuronales qui soutiennent et maintiennent les neurones intacts peuvent influer sur les maladies neurodégénératives. L'une de ces cellules gliales est l'oligodendrocyte satellite ou cellules satellites périneuronales (PNC). Les PNC sont étroitement associés au soma de gros neurones et largement répandus dans la substance grise du cortex et de la moelle épinière. Cependant, les propriétés cellulaires et les rôles fonctionnels de ces oligodendrocytes non myélinisants n'ont pas encore été découverts. Dans cette étude, les cellules positives à la nestine-GFP sont associées à des neurones immunocolorés pour l'antigène nucléaire neuronal dans le cortex et la moelle épinière. Nous avons identifié les PNC comme étant des cellules positives pour la CNPase qui ne sont ni des cellules progénitrices d'oligodendrocytes (PDGFRa) ni des oligodendrocytes myélinisants (MBP). Ces données suggèrent que les PNC pourraient affecter la survie neuronale ainsi que le processus de myélinisation dans des conditions de démyélinisation. En outre, il pourrait être impliqué dans des maladies neurodégénératives telles que la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique en raison de leur interaction avec les motoneurones. / Over the last 10 years, JP Hugnot’s lab has been focusing on the different pools of progenitors and stem cells found in the adult spinal cord both in human and mouse. This is important to conduct this kind of research as the spinal cord is affected by several neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and traumatic lesions for which there is no cure. In anamniotes such as Zebrafish, the spinal cord can regenerate after lesion due to endogenous progenitors/stem cells activation. So by investigating the presence and properties of such cells in mammals especially human, one could possibly harness those cells toward regeneration including neurons. We conducted RNA profiling to compare human vs mouse stem cell niche and lesioned vs non lesioned spinal cord mouse stem cell niche. This niche is particularly interesting as in anamniotes, radial ependymoglia cells located in this region are multipotent and can generate new motoneurons after lesion. And similar, albeit non identical, cells are present in mouse. In mammals, after lesion, these niche cells actively proliferate and migrate to generate mainly astrocytic cells and few oligodendrocytes which participate to the glial scar and regeneration by providing neurotrophic factor such as CNTF, HGF, and IGF-1. This niche contains at least 5 cell types and here a new dorsal cell type expressing Msx1 and Id4 transcription factors was identified. These results indicated that the adult spinal cord niche in mouse and human is a mosaic of cells with different developmental origin and maintaining high levels of neural developmental genes. Glial-neuronal interactions supporting and keeping neurons intact can be influence neurodegenerative diseases. One of these glial cells is the satellite oligodendrocyte or so called perineuronal satellite cells (PNCs). PNCs are tightly associated to the soma of large neurons and widely spread in the grey matter of the CNS both cortex and spinal cord. However the cellular properties and functional roles of these unmyelinating oligodendrocytes are not yet discovered. In this study, nestin-GFP positive cells are associated to neurons immunostained for neuronal nuclear antigen in both cortex and spinal cord. We identified PNCs as CNPase positive cells that are neither oligodendrocyte progenitor cells (PDGFRa) nor myelinating oligodendrocytes (MBP). These data suggest that PNCs might affect neuronal survival as well as the myelination process in demyelinating conditions. Also it could be implicated in neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis and amyotrophic lateral sclerosis due to their interaction with motor neurons.

L'IRM quantitative a un potentiel énorme pour fournir une valeur intrinsèque et indirecte aux propriétés des tissus utiles au diagnostic, au pronostic et aux essais cliniques de la sclérose en plaques (SEP), qui est une maladie inflammatoire du système nerveux central. Complémentaire à l’imagerie cérébrale, étudier l’impact de la maladie sur la moelle épinière grâce à l’imagerie quantitative, en particulier l’IRM de diffusion, devient un véritable défi. L'acquisition et le traitement de ce type de données posent des problèmes inhérents en raison de la distorsion de susceptibilité, de la petite section transversale de la moelle et l’absence de repères anatomiques visibles qui permettant d'identifier des voies ou du niveau vertébral. Dans ce contexte, nous proposons plusieurs contributions pour le traitement et l'analyse statistique de ces données. Tout d'abord, nous proposons de nouvelles métriques géométriques pour évaluer et comparer différentes méthodes de correction de distorsion en mesurant l'alignement du modèle de diffusion reconstruit avec l'axe central apparent de la moelle épinière. Deuxièmement, en utilisant une cohorte de patients atteints de SEP et de témoins sains, nous étudions le lien entre les mesures de diffusion et la présence ou l'absence de lésion dans un niveau vertébral donné et nous montrons que nous pouvons prédire ce dernier avec une bonne précision en utilisant un apprentissage linéaire multivarié. Enfin, nous montrons la faisabilité d’une étude longitudinale de l’évolution des métriques d'IRM de diffusion en réalisant une étude de reproductibilité à l’aide d’un ensemble de données test-retest, et l’appliquons aux 2 premières acquisitions (M0 et M12) de notre cohorte de patients. / Quantitative MRI has huge potential to provide intrinsic and normative value to tissue properties useful for diagnosis, prognosis and ultimately clinical trials in multiple sclerosis (MS) which is an inflammatory disorder of the central nervous system. Complementary to brain imaging, investigating how the spinal cord is damaged using quantitative imaging, and in particular diffusion MRI, becomes an acute challenge. Acquiring and processing this type of data present inherent challenges due to the susceptibility distortion, the small crosssectional area of the spine and the lack of visible anatomical landmarks to help identification of tracts or vertebral level. In this context, we propose several contributions for the processing and statistical analysis of this data. First, we propose novel geometric metrics to evaluate and compare different distortion correction methods by measuring the alignment of the reconstructed diffusion model with the apparent centerline of the spine. Second, using a cohort of MS patients and healthy controls, we study the link between diffusion measures and the presence or absence of lesion in a given vertebral level and we show that we can predict the latter with good accuracy by learning a multivariate linear classifier. Last, we show the feasibility of longitudinal study of the evolution of diffusion MRI metrics by performing a reproducibility study using a test-retest dataset and apply it to the 2 first timepoints (M0 and M12) of our cohort of MS patients.