La substance grise périaqueducale (PAG) est une région cérébrale impliquée dans l’expression des réponses émotionnelles chez les mammifères et est décrite comme la structure de la stratégie d’adaptation comportementale (coping style) chez le rat et le chat. La PAG est composée de plusieurs subdivisions qui se distinguent par des spécificités fonctionnelles et anatomiques. En particulier, elles présentent des spécificités de connexions avec le reste du cerveau. Afin d’examiner la place de la PAG dans le circuit neuronal des émotions chez le mouton, animal grégaire, nous avons décrit les connexions de la PAG par traçage de voies et tractographie par imagerie par résonance magnétique de diffusion. Nous avons ainsi montré que la PAG ovine est composée de subdivisions qui ont des connexions avec des structures cérébrales impliquées dans les émotions. Ces résultats, cohérents avec ceux obtenus chez d’autres mammifères, placent la PAG dans le circuit neuronal des émotions. Notre étude montre également que l’organisation des connexions de la PAG ovine est d’avantage similaire à celles décrites chez des espèces sociales qu’à celles décrites chez des espèces territoriales et/ou prédatrices. Suite aux connaissances acquises dans ces études, nous pouvons maintenant initier des études fonctionnelles et ainsi confirmer le rôle de la PAG ovine dans les processus émotionnels. / The periaqueductal gray matter (PAG) is a brain region involved in the expression of emotional responses in mammals and is described as the structure of the coping style of behaviours in rats and cats. The PAG is composed of several subdivisions that are distinguished by functional and anatomical specificities. Particularly, they have connections specificities with the rest of the brain. In order to examine the place of the PAG in the neuronal circuit of emotions in sheep, a gregarious species, we described the PAG connections using neuronal tracer and tractography by diffusion magnetic resonance imaging. In this way, we have shown that the sheep PAG is composed of subdivisions which have connections with brain structures involved in emotions. These results, consistent with those obtained in other mammals, place PAG in the neuronal circuit of emotions. Our study also shows that the organization of the sheep PAG connections is more similar to those described in social species than those described in territorial and/or predatory species. Following the knowledge obtained in these studies, now we can initiate functional studies and thus confirm the role of the sheep PAG in emotional processes.

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

Les principaux analgésiques utilisés en clinique ciblent majoritairement le récepteur opioïdergique mu (MOPR). Or, l'activation de MOPR engendre d'importants effets secondaires. Les agonistes sélectifs au récepteur opioïdergique delta (DOPR) représentent une cible thérapeutique intéressante, puisqu'ils engendrent moins d'effets secondaires comparativement à l'activation du récepteur opioïdergique mu (MOPR). Dans la littérature, 2 hypothèses s'opposent concernant à la fois la distribution de DOPR et de MOPR au sein des sous-populations neuronales ainsi que leur implication fonctionnelle dans certaines modalités de douleurs. D'une part, des études, dont certaines basées sur l'utilisation d'anticorps, ont suggéré une colocalisation de ces 2 récepteurs au sein des mêmes sous-populations neuronales. Cette colocalisation suggère que l'activation de MOPR ou DOPR soulage les mêmes modalités de douleurs. D'autre part, une étude a remis en doute la spécificité des anticorps commerciaux ciblant DOPR, remettant ainsi en question les travaux réalisés avec cet outil. Par ailleurs, les auteurs de cette même étude ont aussi observé une ségrégation physique et fonctionnelle entre DOPR et MOPR : non seulement DOPR et MOPR seraient exprimés par des populations neuronales différentes, mais DOPR régulerait préférentiellement les douleurs d'origine mécanique, alors que MOPR serait plutôt impliqué dans le soulagement des douleurs d'origine thermique. Afin de répondre à cette controverse, il a d'abord été nécessaire de trouver un outil alternatif à l'utilisation des anticorps ciblant DOPR. Idéalement, cet outil doit permettre la visualisation de la distribution de ce récepteur autant au niveau de cellules en culture que des tissus. Pour ce faire, les propriétés pharmacologiques de 2 ligands biotinylés, le TIPP-biotine (Tyr-Tic-Phe-Phe(para-bromoacétamide)-Asp-desthiobiotine) et la deltorphine-biotine, ont été déterminées. Les résultats obtenus ont démontré que le TIPP-biotine possède des caractéristiques de liaison sur DOPR fort intéressantes autant sur des extraits cellulaires que sur du tissu animal, alors que la deltorphine-biotine nécessite encore des modifications afin d'optimiser ses propriétés de liaison à DOPR. Dans un second temps, à l'aide d'études d'électrophysiologie unitaire extracellulaire in vivo et d'immunohistochimies du récepteur NK? (récepteur de la substance P), l'implication de MOPR dans le soulagement des douleurs thermiques et mécaniques, et celle de DOPR dans le soulagement des douleurs mécaniques ont été mises en évidence. [symboles non conformes]

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

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

Lors de la locomotion, la commande rythmique envoyée aux muscles des membres est organisée de manière spatiale et temporelle par les générateurs centraux du patron locomoteur (CPGs) localisés dans la moelle épinière. Ces derniers sont sous le contrôle des centres supraspinaux impliqués dans l'aspect motivationnel du comportement locomoteur dont l’activité est constamment modulée par des afférences sensorielles afin de permettre d'adapter les mouvements aux changements environnementaux. L’objectif majeur de mon travail doctoral était d’explorer les mécanismes des interactions dynamiques entre (1) les centres supraspinaux, (2) les CPGs et (3) les afférences sensorielles dans le contrôle de la locomotion chez le rat nouveau-né intact et spino-lésé. En nous appuyant sur le modèle de préparation de tronc cérébral / moelle épinière isolée in vitro, nous avons montré que la manipulation de l’organisation temporelle de la commande locomotrice en provenance de la formation réticulée (située dans le tronc cérébral) est efficace pour ajuster finement l’activité des CPGs locomoteurs. Nous avons ensuite mis en lumière l’importance des voies descendantes sérotonergiques dans l’intégration de l’information sensorielle par les CPGs locomoteurs durant la première semaine postnatale. Enfin, en combinant des approches comportementales, neurochimiques et électrophysiologiques, nous avons mis en évidence des effets différents mais complémentaires des neuromodulateurs monoaminergiques (sérotonine, dopamine et noradrénaline) dans la réexpression du comportement locomoteur après une lésion spinale. Notre travail ouvre de belles perspectives pour la compréhension du contrôle afférent de la moelle épinière, à la fois dans un contexte non-pathologique et après un traumatisme médullaire. / Located within the spinal cord, the locomotor central pattern generators (CPGs) organize the rhythmical activation of limb muscles according to specific gait pattern requirements. These CPGs are under the control of supraspinal centers that are involved in the motivational aspect of locomotor behavior, and their activity is constantly modulated by sensory inputs to adapt the locomotor activities to environmental changes. The aim of my doctoral work was to further understand the dynamic interactions between (1) the supraspinal centers, (2) the CPGs and (3) the sensory inputs in both healthy and spinalized newborn rats. Using the isolated brainstem / spinal cord preparation as an in vitro experimental model, we first showed that manipulating the periodicity and the relative durations of left and right descending reticulospinal commands at the brainstem level is efficient to set the locomotor speed and sustain directional changes. We next established the interaction between the descending serotonergic pathways and sensory feedback to shape the spinal locomotor outputs during the first postnatal week. Finally, by combining behavioral, neurochemical and electrophysiological techniques, we showed different but complementary effects of monoaminergic neuromodulators (serotonin, dopamine and norepinephrine) in the expression of locomotor behavior after a spinal cord injury. Our work brings additional data to better understand the afferent control of locomotor spinal CPGs in healthy and spinalized newborn rats.

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

La question du rôle du cortex dans la modulation des afférences somesthésiques inhérente à l'intégration sensorimotrice et au contrôle moteur reste l'objet de recherches cliniques et fondamentales. Si le cortex moteur primaire (M1) occupe un rôle central dans le contrôle du mouvement en participant activement à l'élaboration du plan moteur et à son exécution, il semble réciproquement influencé par les afférences somesthésiques générées par le mouvement. Il est probable que réciproquement il soit capable de moduler ces afférences somesthésiques. L'objectif principal de ce travail de thèse était d'apporter des arguments en faveur de cette modulation potentielle des afférences somesthésiques par le cortex moteur. Nous nous sommes, dans ce contexte, intéressés à la stimulation électrique chronique du cortex moteur (SCM) utilisée dans la prise en charge de certaines douleurs neuropathiques et dont les mécanismes de l'effet analgésique demeurent mal connus. Afin de mettre en évidence une possible neuromodulation induite par la SCM nous avons étudié son influence sur les rythmes corticaux liés au mouvement, particulièrement la synchronisation du rythme béta suivant le mouvement (SLE β) sachant qu'il existe des arguments en faveur d'une relation entre SLE β et le traitement cortical des afférences somesthésiques liées au mouvement. La première partie du travail a consisté à conforter cette probable influence des afférences somesthésiques corticales sur la SLE β. Nous avons pour ce faire étudié les profils de SLE β en enregistrement électroencéphalographique (EEG) 128 voies chez des patients présentant, dans un contexte de douleurs neuropathiques, une déafférentation sensitive d'origine centrale ou périphérique, documentée par une altération des potentiels évoqués somesthésiques (PES). Nous avons pu constater que la déafférentation sensitive provoquait une destructuration du profil de SLE β en comparaison à une population de volontaires sains. En effet, les patients présentaient une SLE β dont la distribution spatiale était restreinte et volontiers ipsilatérale au mouvement du côté douloureux contrairement à la distribution spatiale physiologique de la SLE β volontiers bilatérale à prédominance controlatérale au mouvement. Nous avons donc conclu au terme de cette première partie que la SLE β pouvait être considérée comme un reflet des afférences somesthésiques au niveau cortical et un bon outil de l'étude de l'intégration sensori-motrice. La deuxième partie du travail a consisté à étudier les effets de la SCM sur les modifications de la SLE β en condition de déafférentation sensitive. Nous avons exploré les profils de SLE β chez des patients éligibles à une SCM pour la prise en charge de leurs douleurs neuropathiques. Ces explorations ont eu lieu avant et durant la réalisation de la SCM. Nous avons pu constater une modulation significative de la SLE β par la SCM avec une restauration d'une distribution spatiale plus physiologique. Compte tenu du rôle du thalamus dans la génèse des oscillations corticales, des connexions réciproques du cortex moteur et du thalamus et de l'influence des afférences somesthésiques sur la SLE β, nous avons supposé que la SCM facilitait les afférences somesthésiques thalamo-corticales liées au mouvement. Dès lors, nous nous sommes intéressés dans une troisième partie aux effets de la SCM sur les PES de ces patients. Nous avons constaté chez certains d'entre eux une augmentation de l'amplitude des potentiels N20/P25, et ce de façon corrélée à l'effet analgésique de la SCM. Notre travail semble apporter des arguments en faveur d'une capacité du cortex moteur à moduler les afférences somesthésiques tout au moins en condition non physiologique d'une stimulation électrique. Ces résultats sont concordants avec des données cliniques et fondamentales antérieurement rapportées dans la littérature.

Les potentiels évoqués respiratoires (PER) correspondent aux projections corticales d'afférences mises en jeu lors d'occlusions inspiratoires brèves. Ils pourraient constituer un outil d'étude des voies afférentes et des systèmes d'intégrations cérébraux impliqués dans le contrôle supra-pontique de la ventilation et dans certaines sensations respiratoires. Les travaux présentés dans cette thèse visent à caractériser les déterminants des PER et à étudier leurs éventuelles modifications au cours du syndrome d'apnées obstructives du sommeil sévère. La première étude montre que la fatigue diaphragmatique ne modifie pas les caractéristiques des PER. La deuxième étude suggère un rôle déterminant des afférences provenant des voies aériennes supérieures dans la constitution des PER. La troisième étude montre que l'anesthésie locale des voies aériennes supérieures n'affecte pas les PER. La quatrième étude révèle que la transmission au cortex cérébral d'informations relatives à l'occlusion inspiratoire des voies aériennes supérieures, est normale au cours du syndrome d'apnées obstructives du sommeil, à l'éveil. Elle met cependant en évidence l'existence d'anomalies du traitement cortical d'informations de source respiratoire. Le rôle de ces anomalies dans une éventuelle prolongation des troubles respiratoires nocturnes, reste à déterminer. Au terme de ce travail, et aux vues des différentes données de la littérature, il apparaît que les déterminants des PER sont probablement multiples et complexes. La place de cette technique en tant qu'outil d'investigation des sensations respiratoire reste à préciser.

L'insuffisance cardiaque (IC) est l'une des principales causes de décès dans le monde. Les maladies cardiovasculaires sont devenues une préoccupation majeure de santé publique et le resteront probablement à l'avenir avec le vieillissement de la population et l'augmentation du taux de survie des patients atteints de maladies cardiovasculaires. L'infarctus du myocarde (IM) est le principal facteur de risque favorisant le développement de l’IC. L'une des principales caractéristiques de l'IC est une dérégulation du fonctionnement du système nerveux autonome (SNA), en particulier une hyperactivité du système nerveux sympathique (SNS) qui contribue largement à la progression de la maladie et à l'augmentation de la morbidité. Le mécanisme de l'hyperactivité du SNS n'est que partiellement connu. En ce qui concerne la progression de l'IM à l'IC, des études suggèrent un engagement concerté du cerveau (médulla), du nerf vague et des nerfs sympathiques, en plus du tissu cardiaque qui serait à l'origine de la maladie systémique. En plus des altérations du SNA, des exemples de comorbidités de l'IC comprennent des troubles cognitifs tel que l’anxiété et la dépression ainsi que des modifications atrophiques des régions cérébrales chez les patients atteints d'IC. L’ensemble, de ces données montrent l'importance du système nerveux central et périphérique dans l'IC. En plus du système nerveux cardiaque intrinsèque, qui comprend un réseau de ganglions intracardiaques et de neurones interconnectés, le coeur, en particulier l'épicarde, possède des milliers de neurones intégrés, dont beaucoup expriment le récepteur vanilloïde 1 (TRPV1). Au cours des dernières années, des études scientifiques ont montré que l'application épicardique de résinifératoxine (RTX), un agoniste spécifique de TRPV1, au moment de l'IM induit, conduit à une réduction de la fibrose cardiaque, prévient l'hyperactivation du SNS et améliore la fonction cardiaque dans plusieurs modèles. La thèse visait à mieux caractériser la fonction de ces fibres exprimant TRPV1 dans l'IM et l'IC qui en découle. Les principaux objectifs de présente étude sont les suivants : 1) Identifier si les fibres épicardiques exprimant TRPV1 entraînent des modifications des fonctions cérébrales. 2) Élucider les mécanismes moléculaires sous-jacents dans les tissus du système nerveux en aval des traitements IM et RTX en utilisant la protéomique ; et 3) Déterminer si les stimuli nociceptifs dans un modèle alternatif, C. elegans, via la modulation des récepteurs vanilloïdes orthologues par RTX, peuvent entraîner une modification du comportement et des mécanismes moléculaires associés aux effets induits par l'exposition à RTX. Pour répondre à ces 4 objectifs, nous avons combiné la dénervation des afférences sympathiques cardiaques, via l'application épicardique de RTX, avec un modèle IM validé. Des études comportementales ont été menées pour évaluer la dépression et l'anxiété des animaux après le début de l’IC. L'analyse protéomique a été réalisée sur plusieurs tissus dont le cortex frontal, le ventricule gauche, le bulbe rachidien (médulla), la moelle épinière et le nerf vague. Les principaux résultats de cette thèse ont montré que la dénervation afférente cardiaque sympathique par RTX atténue le remodelage cardiaque et restaure la fonction cardiaque lors d’un IM dans un modèle murin. L'analyse comportementale a démontré que les souris IM sont déprimées et anxieuses et que le traitement RTX réduit significativement l'expression du phénotype anxieux. La protéomique réalisée sur des cortex frontaux isolés a identifié des signatures protéiques uniques pour chacun des groupes (IM, RTX et IM/RTX), indiquant des voies partagées et uniques attribuées par IM et RTX. Les analyses bio-informatiques ont montré un enrichissement significatif des voies métaboliques dans tous les tissus et traitements, et à tout moment, suggérant un rôle central de la fonction mitochondriale après les traitements IM et RTX. Des voies fonctionnelles enrichies dans ces tissus, y compris le cytosquelette, les vésicules et la transduction du signal, peuvent être en aval des réponses initiées par les mitochondries en raison de modifications du taux d'impulsion neuronale après un IM ou d'une altération de la communication coeur-cerveau après l'application de RTX. Certaines voies et molécules communes ont aussi été observées chez C. elegans, comme la voie de signalisation de Wnt, ce qui suggère des effets semblable de RTX. La thèse contribue à une meilleure compréhension des mécanismes physiologiques des nerfs exprimant TRPV1 et offre des informations clés pour comprendre les mécanismes sous-jacents aux troubles neurologiques d'origine cardiaque. Le modèle de C. elegans peut servir de futur modèle pour tester des molécules pharmacologiquement actives pour de futures thérapeutiques. / Heart failure (HF) is one of the leading causes of death worldwide. Cardiovascular diseases are therefore becoming a major health problem and will probably continue to be so in the future with the aging of the population and the increase in the survival rate of patients with cardiovascular disease. Myocardial infarction (MI) is the main risk factor for developing HF. One of the prominent features of HF is a dysregulation in the functioning of the autonomic nervous system (ANS), in particular a sympathetic nervous system (SNS) hyperactivity that largely contributes to disease progression and increased morbidity. The mechanism for the SNS hyperactivity is only partially known. Regarding the progression from MI to HF, studies suggest a concerted engagement of the brain (medulla oblongata), the vagus nerve and the sympathetic nerves, in addition to cardiac tissue that are thought to instigate systemic disease. In addition to the alterations in the ANS, examples of HF comorbidities include cognitive impairment and atrophic changes in brain regions in HF patients. Together these data show the importance of the central and peripheral nervous system in HF. In addition to the intrinsic cardiac nervous system, which includes a network of intracardiac ganglia and interconnecting neurons, the heart, especially the epicardium, has thousands of embedded neurons, many of which express the transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1). Over recent years studies have shown that the epicardial application of resiniferatoxin (RTX), a specific agonist of TRPV1, at the time of induced MI, leads to a reduction of cardiac fibrosis, prevents hyperactivation of the SNS and improves the heart function in several model systems. The thesis was aimed to better characterize the function of these TRPV1-positive fibers in MI and resulting HF. The main objectives of the current study were : 1) To identify whether the TRPV1 expressing epicardial fibers lead to changes in brain activity and function. 2) To elucidate the underlying molecular mechanisms in nervous system tissue downstream from MI and RTX treatments using proteomics; and 3) To determine if nociceptive stimuli in an alternate model, C. elegans, via the modulation of orthologous vanilloid receptors by RTX, can lead to altered behavior and molecular mechanisms associated with RTX exposureinduced effects. To meet these objectives, we combined denervation of cardiac sympathetic afferents, via epicardial application of RTX, with a validated MI model. Behavioral studies were carried out to evaluate the depression and anxiety of the animals after the onset of HFt. Proteomic 6 analysis was carried out on several tissues including the frontal cortex, left ventricle, medulla oblangata, spinal cord, and vagus nerve. The major findings of this thesis are that sympathetic cardiac afferent denervation by RTX attenuates cardiac remodeling and restores cardiac function during MI in a mouse model. Behavioral analysis demonstrated that MI mice are depressed and anxious and that RTX treatment significantly reduced the expression of the anxious phenotype. Proteomics performed on isolated frontal cortices identified unique protein signatures for each of the groups (MI, RTX and MI/RTX), indicating shared and unique pathways attributed by MI and RTX. Bioinformatic analyses showed a significant enrichment for metabolic pathways in all tissues and treatments, and at all time points, suggesting a central role of mitochondria function following MI and RTX treatments. Enriched functional pathways in these tissues, including cytoskeleton, vesicles, and signal transduction, may be downstream of mitochondria-initiated responses due to changes in neural impulse rate after MI or altered heart-brain communication following RTX application. Some common pathways and molecules were observed in C. elegans, such as the Wnt signaling pathway, suggesting similar effects of RTX. The current thesis contributes to a better understanding of the physiological mechanisms of the TRPV1 expressing nerves and offers key information to understand the mechanisms underlying neurological disorders of cardiac origin. The C. elegans model may serve as a future model for testing pharmacologically active molecules for future therapeutics.