La moelle épinière assure la transmission des messages nerveux entre l’encéphale et le reste du corps et assure la coordination des mouvements rythmiques de la locomotion. Elle est constituée d’un grand nombre de types différents d’interneurones et de neurones moteurs, organisés en circuits neuronaux. Les circuits impliqués dans la transmission des informations sensorielles et dans les mouvements des membres sont localisés respectivement dans les parties dorsale et ventrale de la moelle épinière. Les mécanismes moléculaires contrôlant la spécification de ces différents types de neurones dans la moelle épinière restent actuellement mal connus. Au cours de mon travail de thèse, je me suis intéressée à la famille des gènes Prdm (PR Domain containing methyltransferase). Ces gènes sont conservés évolutivement. Ils codent pour des facteurs de transcription jouant des rôles importants dans le développement embryonnaire et sont fréquemment impliqués dans des maladies chez l’Homme. Ces facteurs sont caractérisés par la présence d’un domaine PR semblable au domaine SET trouvé dans des protéines à activité histone méthyltransférase et d’un nombre variable de doigts à zinc. Je me suis focalisée essentiellement sur les gènes Prdm12 et Prdm13, des gènes exprimés de manière précoce et localisés dans le système nerveux en développement et dont la fonction était totalement inconnue. Nos résultats ont montré que l’expression de Prdm12 dans la partie ventrale de la moelle épinière est dépendante de l’acide rétinoïque et du facteur de transcription Pax6 et que Prdm12 est restreint au domaine p1 via l’action répressive des facteurs de transcription Dbx1 et Nkx6 exprimés dans les domaines de progéniteurs adjacents. Prdm12 fonctionne comme déterminant de la destinée des interneurones V1, des interneurones impliqués dans le contrôle des mouvements de la locomotion et essentiels à la survie des neurones moteurs. Prdm12 agirait en réprimant, probablement directement, l’expression des gènes Dbx1 et Nkx6.1/2, ses domaines PR et ZnF étant tous deux requis pour son activité. Nos données indiquent aussi que Prdm13, qui est exprimé dans la partie dorsale de la moelle épinière, constitue une cible directe du complexe Ptf1a-Rbpj et qu’il est requis en aval de Ptf1a pour une balance correcte des neurones glutamatergiques et GABAergiques. Elles suggèrent que Prdm13 fonctionnerait, au moins en partie, en bloquant l’activité d’autres facteurs proneuraux tels que Ngn2 (Neurog2) ou Ascl1 (Mash1) présents dans la partie dorsale de la moelle épinière et qui induisent une destinée excitatrice glutamatergique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Chez les rongeurs et humains, un « tonus » cholinergique spinal endogène modulant les comportements nociceptifs (douloureux) a été décrit. Une source potentielle de cette acétylcholine sont les interneurones cholinergiques de la corne dorsale (CD) de la moelle épinière. Nos objectifs étaient les suivants : (1) caractériser le « tonus » cholinergique spinal responsable de l’établissement des seuils mécaniques nociceptifs et (2) élucider le rôle des neurones cholinergiques CD dans la modulation de l'information sensorielle chez des animaux naïfs et neuropathiques. Nous avons confirmé la présence d'un « tonus » cholinergique qui module les seuils mécaniques et démontré qu'il est encore présent, bien qu'il soit modifié, après une neuropathie. Les interneurones cholinergiques reçoivent des entrées excitatrices localisées sur des segments plus distants et reçoivent généralement une faible fréquence d’entrées inhibitrices. De plus, ils sont indirectement reliés par des afférences primaires nociceptives qui expriment TRPV1, ce qui démontre leur implication dans le circuit nociceptif. Dans les conditions neuropathiques, les entrées des neurones LIII / IV ne sont pas affectées après une lésion du nerf périphérique. Une meilleure compréhension du système cholinergique spinal peut ouvrir la voie à une thérapie alternative contre la douleur. / An endogenous spinal cholinergic tone modulating nociceptive (pain­like) behaviors has been demonstrated in rodents and humans. One potential source of this acetylcholine is the spinal Dorsal Horn (DH) cholinergic interneurons. Our objectives were to: (1) characterize the spinal cholinergic tone establishing mechanical nociceptive thresholds and (2) to elucidate the role of DH cholinergic neurons in the modulation of sensory information of naïve and neuropathic animals. We have confirmed the presence of a cholinergic tone modulating mechanical thresholds and demonstrated that it is still present, although altered, after neuropathy. The DH cholinergic interneurons receive excitatory inputs from distant spinal segments and generally receive lower inhibitory inputs. In addition, they are indirectly connected by a subset of nociceptive primary afferents expressing TRPV1, demonstrating their involvement in nociceptive processing. In neuropathic spinal circuits, the inputs to LIII/IV neurons appears to be unaffected after injury. Better understanding the spinal cholinergic system can pave way to alternative pain therapy.

Les études basées sur l’utilisation de modèles murins de la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) portent très souvent sur des stades symptomatiques ou pré-symptomatiques. Des données existent cependant montrant que des altérations morphologiques des motoneurones existent aux stades post-nataux, suggérant que la SLA pourrait être une maladie neurodéveloppementale. Dans ce travail de thèse basé sur l’utilisation du modèle murin SOD1G93A de la SLA, nous avons cherché à savoir si dès le développement des réseaux moteurs, des perturbations existaient notamment au niveau de la mise en place des inhibitions, c'est-à-dire au niveau de l’homéostasie chlorure. En effet, nous pensons qu’une mauvaise construction du réseau pendant la vie embryonnaire serait la cause des dysfonctionnements observés lors de la survenue de la SLA. Nos données mettent en évidence que la morphologie des motoneurones est modifiée chez les embryons SOD1G93A au stade de développement E17,5 par rapport aux embryons WT et que cette modification de morphologie induit une hyperexcitabilité. De plus, nous montrons une altération du potentiel d’équilibre des ions chlorure (ECl) due à une modification de l’équilibre de la balance des co-transporteurs NKCC1/KCC2. Enfin, nous avons cherché à savoir si une modification du ECl avait une conséquence fonctionnelle au niveau de la mise en place de l’activité locomotrice exprimée par le réseau spinal lombaire. En conclusion, les travaux de cette thèse démontrent pour la première fois un déficit développemental au niveau du modèle murin SOD1G93A et ouvre des perspectives sur la recherche des mécanismes de compensations opérant jusqu’à la survenue du phénotype de la maladie. / Most studies based on the use of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) mouse models focus on symptomatic or presymptomatic periods. However, morphological alterations of ALS motoneurons have been described in post-natal stages, suggesting that ALS could be a neurodevelopmental disease. In this PhD Thesis, based on the use of the SOD1G93A mouse model of ALS, we tried to know if during the embryonic development of the spinal motoneuronal networks, alterations occur particularly at the level of the maturation of GABA/Glycine inhibition, driven by the chloride homeostasis. Indeed, we believe that a wrong construction of the motor network during the embryonic life may be the cause of the troubles observed at the onset of ALS. Our data show that the morphology of motoneurons is altered in E17,5 SOD1G93A embryos compared to WT embryos and that this changes in morphology induced hyperexcitability. In addition, we show an alteration of the equilibrium potential of chloride ions (ECl) due to a modification of the balance of NKCC1/KCC2 chloride co-transporters. Finally, we tried to know if a modification of the ECl had functional consequences in the development of locomotor activity expressed by the lumbar spinal network. In conclusion, the work of this PhD Thesis demonstrates, for the first time, a developmental deficit in the SOD1G93A mouse model and opens new perspectives based on understanding compensatory mechanisms occuring until the appearance of the disease.

Les pathologies du motoneurone sont caractérisées par une atteinte progressive des motoneurones au niveau de la corne antérieur de la moelle épinière. Au delà de cette susceptibilité anatomique commune, qui est responsable d’une atteinte motrice progressive et diffuse dans ces pathologies, d’autres systèmes neurologiques sont touchés. La dégénérescence du faisceau corticospinal est une caractéristique classique dans la sclérose latérale amyotrophique, qui est la maladie du motoneurone la plus commune chez l’adulte. Cependant, il est de plus en plus reconnu que la SLA est une maladie multisystémique. En particulier, une atteinte précoce du système sensoriel a été démontrée dans la modèle animal de la SLA ainsi que dans l’amyotrophie spinal liée à la mutation du gène SMN1 (survival motor neuron 1 en anglais). Chez les patients, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) a émergé comme l’approche la plus performant à l’étage cérébral, permettant d’extraire des indices quantitatifs sur la perte neuronale, la dégénérescence axonale et la démyélinisation dans les pathologies neurodégénératives. Cependant, l’investigation de l’étage médullaire dans ces pathologies est difficile à mener à cause des nombreux défis techniques et méthodologiques que représente l’IRM de la moelle épinière.L’objectif de ce projet de thèse a été d’utiliser l’approche IRM multiparamétrique au niveau de la moelle épinière pour analyser les structures de la matière grise et blanche qui sont atteintes dans deux des pathologies du motoneurone les plus répondues, c’est-à-dire la SLA et la SMA, leurs altérations au cours du temps et leurs corrélations fonctionnelles avec les données cliniques et électrophysiologiques. / Degenerative motor neuron diseases (MND) are characterized by a progressive dysfunction and loss of ventral horn motor neurons of the spinal grey matter. Beyond this common anatomical susceptibility, which is responsible for a progressive and diffuse weakness, other neurological systems are also impaired. The corticospinal tract (CST) degeneration is a classical feature of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), which is the most common adult onset motor neuron disease, but a more widespread multisystem involvement is now well recognized. In particular, early sensory system involvement has been demonstrated in animal models of ALS and also of survival motor neuron 1 gene linked spinal muscular atrophy (SMN1-linked SMA). In human patients, magnetic resonance imaging (MRI) has emerged as the most powerful approach at the brain level to extract quantitative data on neuronal loss, axonal degeneration and demyelination in degenerative conditions. Studies at the spinal cord levels are scarce mainly because of technical and methodological difficulties. The objective of the present thesis project was to use a multi-parametric MRI approach at the spinal cord level to analyze grey and white matter structures that are impaired in two most common MND, i.e. ALS and SMN1-linked SMA, their temporal alterations during the disease course and the functional correlates, as assessed by clinical and electrophysiological examinations.

Au cours de la métamorphose, les amphibiens subissent une réorganisation complète de leur anatomie et de leur physiologie. Chez Xenopus laevis le système locomoteur est un des plus affecté au cours de cette phase développementale, l’animal passant d’une nage ondulatoire à une nage appendiculaire. Cette transformation du mode locomoteur implique une réorganisation du réseau locomoteur central. Dans une première étude, nous avons mis en évidence que les muscles axiaux s’activent de manière bilatéralement alternée chez le têtard alors que les muscles équivalents chez l’adulte s’activent de manière synchrone au cours de la nage. Nous avons montré que ce nouveau patron d’activation musculaire, accompagné d’une synchronisation avec les muscles appendiculaires extenseurs, reposent principalement sur la mise en place de nouvelles projections propriospinales lombo-thoraciques. Ces résultats suggèrent l’existence d’un contrôle postural proactif au cours de la locomotion, reposant directement sur le CPG des membres postérieurs. Dans une deuxième étude, nous nous sommes intéressés à l’influence d’un déséquilibre des afférences vestibulaires sur le développement du réseau locomoteur spinal au cours de la métamorphose. Pour cela nous avons réalisé une suppression unilatérale des organes vestibulaires avant ou après la métamorphose. Dans les deux cas, cette lésion aigue génère d’importants troubles locomoteurs et posturaux. Nous avons montré que la lésion chronique au cours de la métamorphose entraîne une modification ipsi-lésionnelle du développement du réseau locomoteur lombo-thoracique, de manière concomitante à une compensation comportementale. De façon intéressante, cette plasticité développementale ainsi que la compensation des troubles locomoteurs sont absentes chez les animaux lésés au stade adulte. Ces résultats suggèrent que les informations sensorielles sont un facteur déterminant pour le développement du réseau locomoteur spinal. Enfin, dans une troisième étude, nous avons analysé le développement du réseau locomoteur supra-spinal et en particulier les propriétés de déclenchement et de contrôle de la région locomotrice mésencéphalique (MLR). Nous avons mis en évidence l’existence fonctionnelle des deux noyaux de cette structure, le noyau pédonculopontin (PPN) et le noyau latérodorsal du tegmentum (LDT) tout au long de la métamorphose du xénope, ainsi qu’une fréquence d’activation optimale de 10-20 Hz pour le PPN. / Throughout the course of metamorphosis, amphibians undergo a complete anatomical and physiological reorganization. In Xenopus laevis, the locomotor system is one of the most affected during this developmental phase where the animal passes from undulatory swimming to limb-based propulsion. This transformation implies a parallel reorganization of the central locomotor network. In an initial study we showed that axial muscles which are activated in bilateral alternation in tadpoles mature to dorsal muscles that are synchronously active during adult locomotion. We found that this new pattern, accompanied by coordination of dorsal and hindlimb muscle activities, is principally sustained by the development of new propriospinal lumbo-thoracic projections, suggesting proactive postural control coming from the hindlimb CPG during ongoing locomotion. In a second study, we examined the influence of disequilibrium in vestibular inputs on the metamorphic development of the spinal locomotor network. To induce this sensory asymmetry we performed unilateral removal of vestibular end organs either before or after metamorphosis. Acutely, in both cases, the lesion induced dramatic postural and locomotor changes. Chronically, the lesion altered the metamorphic development of the lumbo-thoracic network on the lesioned side, concomitantly with compensation for locomotor defects. Interestingly, animals lesioned after metamorphosis neither compensated nor expressed this developmental spinal plasticity. Altogether, these results suggest that descending sensory inputs are crucial cues for the development of the spinal locomotor network. Finally, we studied the metamorphic development of the supra-spinal network, focusing our attention on the locomotor triggering and control properties of the mesencephalic locomotor region (MLR). We showed that both subparts of this structure, the laterodorsal tegmentum (LDT) and the pedunculopontine (PPN) nuclei, are present and functional during the entire period of metamorphosis and that the PPN has an optimal activation frequency of 10-20 Hz.

Le GABA et la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs de la moelle épinière adulte, jouent un rôle clé dans la plasticité neuronale. Ils peuvent être excitateurs selon la concentration en chlorure du neurone cible. Celle-ci est principalement régulée par les co-transporteurs, KCC2, spécifique des neurones et NKCC1, ubiquitaire. Ces protéines font respectivement sortir et entrer les ions chlorure. Au cours du développement, l’expression de KCC2 augmente alors que celle de NKCC1 diminue, au moment où l’effet des potentiels post-synaptiques inhibiteurs sur le potentiel de membrane des neurones passe d’une dépolarisation à une hyperpolarisation. Une lésion médullaire à P0 bloque cette augmentation développementale. Cela est corrélé à une perte de fonction de KCC2, laquelle est restaurée après traitement avec un agoniste des récepteurs 5-HT2, indiquant que les voies descendantes issues du tronc cérébral, en particulier sérotoninergique, sont essentielles à la maturation du système inhibiteur. Une lésion chez l’adulte, induit une diminution de l’expression KCC2, en particulier à la surface des motoneurones et de ce fait, de la force de l’inhibition post-synaptique. Le BDNF est impliqué dans cette diminution mais son effet s’inverse 15 jours après la lésion, permettant le réacheminement de KCC2 à la surface des cellules. La phosphorylation des tyrosines et sérines serait impliquée dans l’adressage et la stabilisation de KCC2 dans la membrane plasmique alors que celle des thréonines jouerait un rôle dans son activation fonctionnelle. Ces résultats indiquent que KCC2 est une cible de choix pour restaurer l’inhibition neuronale dans la moelle épinière après traumatisme. / Le GABA et la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs de la moelle épinière adulte, jouent un rôle clé dans la plasticité neuronale. Ils peuvent être excitateurs selon la concentration en chlorure du neurone cible. Celle-ci est principalement régulée par les co-transporteurs, KCC2, spécifique des neurones et NKCC1, ubiquitaire. Ces protéines font respectivement sortir et entrer les ions chlorure. Au cours du développement, l’expression de KCC2 augmente alors que celle de NKCC1 diminue, au moment où l’effet des potentiels post-synaptiques inhibiteurs sur le potentiel de membrane des neurones passe d’une dépolarisation à une hyperpolarisation. Une lésion médullaire à P0 bloque cette augmentation développementale. Cela est corrélé à une perte de fonction de KCC2, laquelle est restaurée après traitement avec un agoniste des récepteurs 5-HT2, indiquant que les voies descendantes issues du tronc cérébral, en particulier sérotoninergique, sont essentielles à la maturation du système inhibiteur. Une lésion chez l’adulte, induit une diminution de l’expression KCC2, en particulier à la surface des motoneurones et de ce fait, de la force de l’inhibition post-synaptique. Le BDNF est impliqué dans cette diminution mais son effet s’inverse 15 jours après la lésion, permettant le réacheminement de KCC2 à la surface des cellules. La phosphorylation des tyrosines et sérines serait impliquée dans l’adressage et la stabilisation de KCC2 dans la membrane plasmique alors que celle des thréonines jouerait un rôle dans son activation fonctionnelle. Ces résultats indiquent que KCC2 est une cible de choix pour restaurer l’inhibition neuronale dans la moelle épinière après traumatisme.

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.