Le vieillissement normal s’accompagne d’une diminution du contenu du cholestérol cérébral. Au contraire, une accumulation de cholestérol est associée aux processus toxiques dans plusieurs pathologies dégénératives (maladie d’Huntington, maladie de Parkinson, épilepsie, maladie de Niemann Pick de type C, maladie d’Alzheimer). De plus, les parallèles étroits existent entre la physiopathologie moléculaire de la maladie d’Alzheimer et celle de la maladie de Niemann Pick de type C, maladie de l’homéostasie du cholestérol. Ainsi on retrouve dans ces deux pathologies une hyperphosphorylation de la protéine Tau, associée à une augmentation des endosomes élargis et à la production de peptides A. L’ensemble de ces éléments évoque le rôle potentiel de la surcharge en cholestérol cérébral comme facteur favorisant le développement de la maladie d’Alzheimer. L’objectif de mon travail de doctorat a été de déterminer si une surcharge en cholestérol in vivo dans les neurones de l’hippocampe, région précocement touchée par la maladie d’Alzheimer, pouvait être à l’origine de processus neurotoxiques et de modifications biochimiques et neuropathologiques proches de ceux qui sont observés dans cette pathologie. La quasi-totalité du cholestérol cérébral est synthétisée in situ, la barrière hémato-encéphalique ne permettant qu’un apport minime du cholestérol périphérique. L’excès de cholestérol est exporté de la circulation sanguine sous la forme du 24-hydroxycholestérol, un métabolite produit exclusivement dans les neurones par la cholestérol-24-hydroxylase codée par le gène Cyp46a1.La surcharge en cholestérol a été induite in vivo par inhibition de la cholestérol-24-hydroxylase, dans l’hippocampe par une stratégie d’ARN interférence délivré par une injection stéréotaxique d’un vecteur AAV5. Nous avons étudié, d’une part la capacité d’une accumulation de cholestérol à induire chez la souris normale, un phénotype clinique et neuropathologique proche de la maladie d’Alzheimer et d’autre part si cette même accumulation de cholestérol neuronal pouvait aggraver ou compléter le phénotype Alzheimer d’un modèle murin de la maladie, la souris APP23. L’injection du vecteur AAV5-shCYP46A1 dans la stratum lacunosum moleculare de l’hippocampe conduit à une inhibition significative de l'expression du gène Cyp46a1, associée à une diminution de la concentration du 24-hydroxycholestérol et une augmentation du contenu en cholestérol dans les neurones de l’hippocampe, 3 semaines après l’injection. En réponse à cet excès de cholestérol, des mécanismes régulateurs permettent de diminuer, d’une part l’import et d’augmenter l’export du cholestérol de la cellule et d’autre part d’augmenter le contenu en phosphatidylcholine afin de rétablir un ratio phospholipide/cholestérol physiologique. Cependant, l'accumulation majeure de cholestérol intracellulaire conduit, 3 semaines après l’injection, à une activation de la réponse UPR (Unfolded Protein Response ou stress du réticulum endoplasmique) caractérisée par l'expression des gènes codant les facteurs XBP1s, ATF6, GRP78 associée à celles des protéines PERK phosphorylée, CHOP et caspase 12, entraînant l'activation des caspases 9 et 3. Elle est associée à la phosphorylation des protéines GSK3 (Tyr216) et Tau (Thr231). En parallèle, l’augmentation du cholestérol induit, 3 semaines après l’injection, une augmentation de l’expression de la protéine Rab5 (marqueur des endosomes précoces) et une relocalisation de la protéine APP dans les fractions de radeaux lipidiques associées à l'activation de la voie amyloïdogénique (production des fragments-CTF et des peptides A42). L’étude lipidomique met en évidence, 4 semaines après l’injection, une augmentation du contenu en céramide à longues chaînes et à une augmentation des gangliosides. Tous ces éléments aboutissent à un processus de perte neuronale associée à un recrutement des astrocytes dès la quatrième semaine après l’injection.... / An increasing number of arguments suggest a close and complex link between cholesterol metabolism and neurodegenerative diseases, particularly with Alzheimer’s disease. Normal ageing is associated with a decrease of brain cholesterol content. Conversly, accumulation of brain cholesterol is associated with several neurodegenerative diseases (Huntington disease, Parkinson disease, epilepsy, Niemann Pick C disease, Alzheimer’s disease). Moreover, close connections exist between molecular physiopathology of AD and that of Niemann Pick, a disease of cholesterol homeostasis. Altogether, these results suggest that cholesterol overload might play a role, as an initiating factor for the development of AD.In the brain, cholesterol metabolism is tightly controlled. In adults, cholesterol is mainly synthetized by astrocytes, then shuttles to neurons where it is used. All cholesterol excess must be eliminated. Cholesterol cannot cross freely the blood-brain-barrier. To be metabolized, brain cholesterol must be converted in 24-hydroxy-cholesterol by the cholesterol-24 hydroxylase enzyme, coded by CYP46A1 gene. The objective of my PhD project was to determine if cholesterol accumulation in vivo in hippocampal neurons, a region early involved in AD pathology, could trigger neurotoxic processes with biochemical and neuropathological modifications close to what is observed in AD. Cholesterol overload in vivo was induced by inhibiting cholesterol 24-hydroxylase enzyme activity, using an RNA interference strategy. Stereotactic injection of an AAV5- shCYP46A1 vector in the stratum lacunosum moleculare of the hippocampus led to significant and rapid (as soon as 3 weeks after injection) inhibition of the Cyp46a1 gene in the hippocampus with an absence of RNA interference off-target effect. This inhibition was associated with a decrease of 24-hydroxycholesterol content and an increase of the cholesterol content. In response to this cholesterol excess, cell control mechanisms were initiated leading to decrease import and increase export of cholesterol, accompanied with an increase of phosphatidylcholine content to restore a physiological ratio of phospholipide/cholesterol. However, major accumulation of cholesterol led to neuronal death with activation of caspases 9 et 3, suggesting an apoptotic process. The cholesterol overload drives to an endoplasmic reticulum stress, with activation of the unfolded protein response (UPR) and expression of spliced XBP1, ATF6, GRP78, phosphorylated PERK, CHOP and caspase 12. These modifications were associated with phosphorylation of GSK3 (Tyr 216) and tau (Thr 231) proteins. In parallel, cholesterol accumulation led to increased expression of Rab5 (early endosome marker) and relocalization of APP in rafts domains associated to activation of amyloid pathway (production of -CTF fragments and A42 peptides). Lipidomic analysis showed an increase of ceramides and gangliosides content. All these modifications were associated with neuronal death 4 weeks after injection and astrocytosis, leading to an EEG theta rhythm accelerated to beta frequencies, memory deficits and hippocampal atrophy. In a mouse model of Alzheimer disease, the APP23 mouse, cholesterol accumulation led to major aggravation of the phenotype, with increased production of A peptides, occurring of tau phosphorylation and UPR response, leading to accelerated neuronal death. Altogether, these results suggest a direct link between cholesterol accumulation in the brain and Alzheimer’s disease. Brain cholesterol accumulation could seed the sows to the development of Alzheimer’s pathology. Reducing cerebral cholesterol could thus be a relevant therapeutic strategy to prevent the development, or at least slow down the evolution of the pathology in Alzheimer’s disease.

La neurogenèse est présente, dans le cerveau adulte, dans la zone sous-ventriculaire (ZSV) encadrant les ventricules latéraux et dans le gyrus dentelé (GD) de l’hippocampe, permettant l’apprentissage, la mémoire et la fonction olfactive. Ces micro-environnements possèdent des signaux contrôlant l’auto-renouvellement des cellules souches neurales (CSN), leur prolifération, leur destin et leur différenciation. Or, lors du vieillissement, les capacités régénératives et homéostatiques et la neurogenèse déclinent. Les patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA), comme le modèle animal reproduisant cette maladie (3xTg-AD), montrent une accélération des phénotypes liés au vieillissement dont une diminution de la neurogenèse. Notre hypothèse est que la découverte des mécanismes affectant la neurogenèse, lors du vieillissement et de la MA, pourrait fournir de nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir le déclin cognitif. Les études sur l’âge d’apparition et les mécanismes altérant la neurogenèse dans la MA sont contrastées et nous ont guidé vers deux études. L’examen des changements dans les étapes de la neurogenèse lors du vieillissement et du développement de la neuropathologie. Nous avons étudié la ZSV, les bulbes olfactifs et le GD de souris femelles de 11 et 18 mois, et l’apparition des deux pathologies associées à la MA : les plaques amyloïdes et les enchevêtrements neurofibrillaires. Nous avons découvert que les souris 3xTg-AD possèdent moins de cellules en prolifération, de progéniteurs et de neuroblastes, induisant une diminution de l’intégration de nouvelles cellules dans le GD et les bulbes olfactifs. Notons que le taux de neurogenèse chez ces souris de 11 mois est similaire à celui des souris de phénotype sauvage de 18 mois, indiquant une accélération des changements liés au vieillissement dans la MA. Dans la ZSV, nous avons aussi démontré une accumulation de gouttelettes lipidiques, suggérant des changements dans l’organisation et le métabolisme de la niche. Enfin, nous avons démontré que le déficit de la neurogenèse apparait lors des premières étapes de la MA, avant l’apparition des plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires. A l’examen des mécanismes inhibant la neurogenèse lors de la MA, nous voyons que chez des souris de 5 mois, le déficit de la neurogenèse dans la ZSV et le GD est corrélé avec l’accumulation de lipides, qui coïncide avec l’apparition du déclin cognitif. Nous avons aussi découvert que dans le cerveau humain de patients atteints de la MA et dans les 3xTg-AD, des gouttelettes lipidiques s’accumulaient dans les cellules épendymaires, représentant le principal soutien des CSN de la niche. Ces lipides sont des triglycérides enrichis en acide oléique qui proviennent de la niche et pas d’une défaillance du système périphérique. De plus, l’infusion locale d’acide oléique chez des souris de phénotype sauvage permet de reproduire l’accumulation de triglycérides dans les cellules épendymaires, comme dans la MA. Ces gouttelettes induisent un dérèglement de la voie de signalisation Akt-FoxO3 dans les CSN, menant à l’inhibition de leur activation in vitro et in vivo. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la régulation de la neurogenèse par le métabolisme lipidique. Nous avons démontré un nouveau mécanisme par lequel l’accumulation des lipides dans la ZSV induit une inhibition des capacités de prolifération et de régénération des CSN lors de la MA. Les travaux futurs permettront de comprendre comment et pourquoi le métabolisme lipidique du cerveau est altéré dans la MA, ce qui pourrait offrir de nouvelles voies thérapeutiques pour la prévention et la régénération. / In the adult brain, neurogenesis continues in the subventricular zone (SVZ) surrounding the lateral ventricles and the dentate gyrus (DG) of the hippocampus where it plays a critical role in learning, memory, and olfactory function. Within these microenvironments, combinatorial signals control neural stem cell (NSC) self-renewal, proliferation, fate determination and differentiation. Unfortunately, during aging, neurogenesis declines along with many other homeostatic and regenerative capabilities. Furthermore, Alzheimer’s disease (AD) patients and many AD models show an acceleration of several aging related phenotypes including neurogenesis. We hypothesize that uncovering how neurogenesis is affected during aging and in AD will provide novel targets for prevention of cognitive decline. However, conflicting findings including the age of onset and the mechanisms altering neurogenesis in AD propelled us to perform the two following studies. First, we examined the various steps of neurogenesis and how they change as a result of aging, neuropathology development, and neurogenic niches. We studied neurogenesis in the SVZ, olfactory bulb, and DG of 11- and 18-month-old female mice and simultaneously measured the stages of the two major AD-associated pathologies, amyloid plaques and neurofibrillary tangles. We found that, 3xTg-AD mice had fewer proliferating cells, neural progenitors and neuroblasts, resulting in decreased numbers of adult-born cells added to the dentate granule cell layer and the olfactory bulbs. Interestingly, the levels of neurogenesis in 11-month-old 3xTg mice were similar to those in 18-month-old WT mice, indicating an acceleration of aging-related changes in neurogenesis. Interestingly, we found that the deficits in neurogenesis appear at early stages of AD-associated pathologies, before the appearance of the hallmark Aβ plaques and neurofibrillary tangles. Instead, we found a pronounced accumulation of large lipid droplets, suggestive of significant organizational and metabolic changes (Chapter 2). Second, we examined the mechanisms inhibiting neurogenesis in AD. Studying young 5-month-old mice, we found that deficits in SVZ and DG neurogenesis still correlated with extensive lipid accumulation coinciding with the onset of cognitive decline. Importantly, we found that postmortem AD brains and 3xTg-AD mice accumulate neutral lipids within ependymal cells, the main support cell of the SVZ niche. Using novel mass spectrometry techniques, we identified these lipids as oleic acid-enriched triglycerides. Moreover, analysis of plasma, cerebrospinal fluid, and microdissected SVZs showed that these lipids originate from niche-derived rather than peripheral lipid metabolism defects. Remarkably, locally increasing oleic acid in wild-type mice was sufficient to recapitulate the AD-associated ependymal triglyceride phenotype and led to a de-regulation of the Akt-FoxO3 NSC preservation pathway, and inhibition of NSC activation in vitro and in vivo (Chapter 3). Together, this work suggests a novel mechanism of cognitive defects. Specifically, lipid accumulation within SVZ niche cells during early adulthood inhibits the proliferative and regenerative capacity of NSCs in AD. Future work aimed at understanding how and why brain lipid metabolism is altered in AD could provide therapeutic targets for preventative and regenerative strategies for those suffering from AD.

Nous présentons dans cette thèse un nouveau paradigme pour caractériser la maladie d’Alzheimer à travers l’écriture manuscrite acquise sur tablette graphique. L’état de l’art est dominé par des méthodes qui supposent un comportement unique ou homogène au sein de chaque profil cognitif. Ces travaux exploitent des paramètres cinématiques globaux, sur lesquels ils appliquent des tests statistiques ou des algorithmes de classification pour discriminer les différents profils cognitifs (les patients Alzheimer, les troubles cognitifs légers (« Mild Cognitive impairment » : MCI) et les sujets Contrôle (HC)). Notre travail aborde ces deux limites de la littérature de la façon suivante : premièrement au lieu de considérer un comportement homogène au sein de chaque profil cognitif ou classe (HC, MCI, ES-AD : « Early-Stage Alzheimer Disease »), nous nous sommes affranchis de cette hypothèse (ou contrainte) forte de la littérature. Nous considérons qu’il peut y avoir plusieurs comportements au sein de chaque profil cognitif. Ainsi, nous proposons un apprentissage semi-supervisé pour trouver des groupes homogènes de sujets et analysons l’information contenue dans ces clusters ou groupes sur les profils cognitifs. Deuxièmement, au lieu d’exploiter les paramètres cinématiques globaux (ex : vitesse moyenne, pression moyenne, etc.), nous avons défini deux paramétrisations ou codages : une paramétrisation semi-globale, puis locale en modélisant la dynamique complète de chaque paramètre. L’un de nos résultats importants met en évidence deux clusters majeurs qui sont découverts, l’un dominé par les sujets HC et MCI et l’autre par les MCI et ES-AD, révélant ainsi que les patients atteints de MCI ont une motricité fine qui est proche soit des sujets HC, soit des patients ES-AD. Notre travail montre également que la vitesse prise localement regroupe un ensemble riche des caractéristiques telles que la taille, l’inclinaison, la fluidité et la régularité, et révèle comment ces paramètres spatiotemporels peuvent conjointement caractériser les profils cognitifs. / We present, in this thesis, a novel paradigm for assessing Alzheimer’s disease by analyzing impairment of handwriting (HW) on tablets, a challenging problem that is still in its infancy. The state of the art is dominated by methods that assume a unique behavioral trend for each cognitive profile, and that extract global kinematic parameters, assessed by standard statistical tests or classification models, for discriminating the neuropathological disorders (Alzheimer’s (AD), Mild Cognitive Impairment (MCI)) from Healthy Controls (HC). Our work tackles these two major limitations as follows. First, instead of considering a unique behavioral pattern for each cognitive profile, we relax this heavy constraint by allowing the emergence of multimodal behavioral patterns. We achieve this by performing semi-supervised learning to uncover homogeneous clusters of subjects, and then we analyze how much information these clusters carry on the cognitive profiles. Second, instead of relying on global kinematic parameters, mostly consisting of their average, we refine the encoding either by a semi-global parameterization, or by modeling the full dynamics of each parameter, harnessing thereby the rich temporal information inherently characterizing online HW. Thanks to our modeling, we obtain new findings that are the first of their kind on this research field. A striking finding is revealed: two major clusters are unveiled, one dominated by HC and MCI subjects, and one by MCI and ES-AD, thus revealing that MCI patients have fine motor skills leaning towards either HC’s or ES-AD’s. This thesis introduces also a new finding from HW trajectories that uncovers a rich set of features simultaneously like the full velocity profile, size and slant, fluidity, and shakiness, and reveals, in a naturally explainable way, how these HW features conjointly characterize, with fine and subtle details, the cognitive profiles.

L’objectif général de cette thèse était de caractériser les trajectoires de déclin cognitif et fonctionnel dans les phases précliniques et précoces de la maladie d’Alzheimer, faisant appel à deux grandes approches: l’étude du trouble cognitif léger dans la maladie d’Alzheimer sporadique et l’étude du phénotype cognitif d’individus porteurs de mutations autosomiques dominantes dans la maladie d’Alzheimer familiale. La thèse comprend 6 articles, dont 4 empiriques. Le premier article (Chapitre II) visait à faire une revue de littérature sur le trouble cognitif léger, son contexte historique, ses critères diagnostiques et les connaissances actuelles dans les domaines cognitif, génétique et de neuroimagerie. L’objectif de la deuxième étude (Chapitre III) visait à caractériser les différents domaines cognitifs (mémoire épisodique, fonctions exécutives, mémoire de travail, traitement visuospatial et langage) et leurs trajectoires dans le temps, chez des personnes avec un trouble cognitif léger, en distinguant celles qui ultérieurement progressent vers une démence, ou progresseurs, et celles qui ne progressent pas vers une démence, ou non-progresseurs. Les résultats indiquent que, chez les progresseurs, les trajectoires de déclin se distinguent selon le domaine cognitif : une fonction quadratique (fonction polynomiale de second degré, qui peut être interprétée comme représentant un plateau suivi d’un déclin accéléré) caractérise le rappel différé en mémoire épisodique et la mémoire de travail/vitesse de traitement de l’information et une fonction linéaire (plus graduelle et progressive) caractérise le rappel immédiat en mémoire, les fonctions exécutives et les habiletés visuospatiales. L’objectif de la troisième étude (Chapitre IV) était de caractériser les trajectoires de déclin des capacités à réaliser les activités de la vie quotidienne instrumentales chez ces mêmes individus ayant un trouble cognitif léger qui ont progressé vers une démence et de comparer ces trajectoires à celles que l’on retrouve chez les individus avec un trouble cognitif léger n’ayant pas progressé. Les résultats montrent que les capacités autorapportées à réaliser les activités de la vie quotidienne suivent une trajectoire quadratique chez les progresseurs (ont rencontré les critères de démence au cours de l’étude), linéaire chez les déclineurs (ont présenté un déclin cognitif sans rencontrer les critères de démence au cours de l’étude) et n’ont pas changé à travers le temps chez les stables (sont demeurés cognitivement stables au cours de l’étude). Les résultats indiquent que ces patrons peuvent être surtout expliqués par une catégorie d’activités, les activités complexes (p.ex. gérer le budget), qui suivent les mêmes trajectoires. L’objectif du quatrième article (Chapitre V) était de présenter les différentes composantes (génétique, imagerie et cognition) d’un projet de collaboration initié en 2012 entre le Canada et la Chine, ayant pour but d’étudier les phrases précliniques de la maladie d’Alzheimer de type familial. L’objectif de la cinquième étude (Chapitre VI) était d’examiner l’apparition et l’évolution des atteintes cognitives dans la maladie d’Alzheimer de type familial, en distinguant les personnes porteuses de mutations PSEN1 menant à un diagnostic de démence de celles non-porteuses de ces mutations. Les résultats montrent que, chez les porteurs de mutation, le temps estimé au diagnostic suit une trajectoire quadratique pour le rappel différé et la reconnaissance en mémoire épisodique et une trajectoire linéaire pour le rappel immédiat en mémoire, la fluence verbale sémantique/catégorielle et les habiletés visuoconstructives. Enfin, l’objectif de la sixième étude (Chapitre VII) était de présenter les données d’imagerie préliminaires de la cohorte canadienne avec mutations PSEN1, avec une série de cas. Chez les porteurs de mutation, l’amyloïde est un marqueur précoce, significatif même chez les individus non symptomatiques. Le marqueur tau est significatif uniquement près de l’âge estimé du diagnostic chez les porteurs et semble être davantage associé aux déficits cognitifs. / The main objective of this thesis was to characterize the trajectories of cognitive and functional decline in the preclinical and early stages of Alzheimer's disease, using two methodological approaches: the study of mild cognitive impairment in sporadic Alzheimer's disease and the study of the cognitive phenotype of individuals with autosomal dominant mutations in familial Alzheimer's disease. The thesis comprises 6 articles, 4 of which are empirical. The first article (Chapter II) aimed to review the literature on mild cognitive impairment, its historical context, its diagnostic criteria and current knowledge in the cognitive, genetic and neuroimaging fields. The objective of the second study (Chapter III) was to characterize the different cognitive domains (episodic memory, executive functions, working memory, visuospatial processing and language) and their trajectories over time, in individuals with mild cognitive impairment, by distinguishing those who progressed to dementia, or progressors, and those that did not progress to dementia, or non-progressors. The results indicate that, in the case of progressors, the trajectories of decline are distinguished according to the cognitive domain: a quadratic function (a plateau followed by an accelerated decline) characterizes the delayed recall in episodic memory and working memory/processing speed and a linear function characterizes immediate recall, executive functions and visuospatial abilities. The objective of the third study (Chapter IV) was to characterize the trajectories of decline in the ability to perform instrumental activities of daily living in these same individuals with mild cognitive impairment who progressed to dementia and to compare these trajectories with those found in individuals with mild cognitive impairment who did not progress. The results show that the self-reported abilities to perform activities of daily living follow a quadratic trajectory in the progressors (met the dementia criteria during the study), a linear trajectory in the declinors (presented a cognitive decline without meeting the dementia criteria during the course of the study) and did not change over time in the stable (remained cognitively stable during the study). The results indicate that these patterns can be mainly explained by a category of activities, the complex activities (e.g. managing the budget), which follow the same trajectories. The objective of the fourth article (Chapter V) was to present the different components (genetics, imaging and cognition) of a collaborative project initiated in 2012 between Canada and China, aimed at studying the preclinical phases of familial Alzheimer’s disease. The objective of the fifth study (Chapter VI) was to examine the onset and course of cognitive impairment in familial Alzheimer's disease, by distinguishing individuals with PSEN1 mutations leading to a diagnosis of dementia from those not carrying these mutations. The results show that, in mutation carriers, the time to the estimated age of onset follows a quadratic trajectory for delayed recall and recognition in episodic memory and a linear trajectory for immediate recall, semantic/categorical verbal fluency and visuospatial abilities. Finally, the objective of the sixth study (Chapter VII) was to present preliminary imaging data for the Canadian cohort with PSEN1 mutations, using a case series. In mutation carriers, amyloid is an early marker, with a significant deposition, even in non-symptomatic individuals. The tau marker is significant only near the estimated age of onset in mutation carriers and appears to be more associated with cognitive deficits.

Background: Subjective cognitive decline (SCD), i.e., the self-perceived feeling of worsening cognitive function, may be the first notable syndrome of preclinical Alzheimer’s disease and other dementias. However, not all individuals with SCD progress. Stability of SCD, i.e., repeated reports of SCD, could contribute to identify individuals at risk, as stable SCD may more likely reflect the continuous neurodegenerative process of Alzheimer’s and other dementias. Methods: Cox regression analyses were used to assess the association between stability of SCD and progression to MCI and dementia in data derived from the population-based Leipzig Longitudinal Study of the Aged (LEILA75+). Results: Of 453 cognitively unimpaired individuals with a mean age of 80.5 years (SD = 4.2), 139 (30.7 %) reported SCD at baseline. Over the study period (M = 4.8 years, SD = 2.2), 84 (18.5 %) individuals had stable SCD, 195 (43.1 %) unstable SCD and 174 (38.4 %) never reported SCD. Stable SCD was associated with increased risk of progression to MCI and dementia (unadjusted HR = 1.8, 95 % CI = 1.2–2.6; p < .01), whereas unstable SCD yielded a decreased progression risk (unadjusted HR = 0.5, 95 % CI = 0.4–0.7; p < .001) compared to no SCD. When adjusted for baseline cognitive functioning, progression risk in individuals with stable SCD was significantly increased in comparison to individuals with unstable SCD, but not compared to individuals without SCD. Conclusions: Our results, though preliminary, suggest that stable SCD, i.e., repeated reports of SCD, may yield an increased risk of progression to MCI and dementia compared to unstable SCD. Baseline cognitive scores, though within a normal range, seem to be a driver of progression in stable SCD. Future research is warranted to investigate whether stability could hold as a SCD research feature.

Objective: To study awareness of cognitive dysfunction in patients with very mild Alzheimer’s disease (AD) and subjects with mild cognitive impairment (MCI). Methods: A complaint interview covering 13 cognitive domains was administered to 82 AD and 79 MCI patients and their caregivers. The patient groups were comparable according to age and education, and Mini Mental State Examination (MMSE) scores were ≥24 in all cases. The discrepancy between the patients’ and caregivers’ estimations of impairments was taken as a measure of anosognosia. Results: Self-reports of cognitive difficulties were comparable for AD and MCI patients. However, while in comparison to caregivers MCI patients reported significantly more cognitive impairment (p < 0.05), AD patients complained significantly less cognitive dysfunctions (p < 0.001). Conclusions: While most MCI patients tend to overestimate cognitive deficits when compared to their caregiver’s assessment, AD patients in early stages of disease underestimate cognitive dysfunctions. Anosognosia can thus be regarded as a characteristic symptom at a stage of very mild AD (MMSE ≥24) but not MCI. Accordingly, medical history even in mildly affected patients should always include information from both patient and caregiver. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Extracellular accumulation of Aβ in β-amyloid plaques is thought to be associated with the neurodegeneration observed in Alzheimer’s disease (AD) patients, although a lack of correlation with cognitive decline raised doubts on this hypothesis. In different transgenic mouse models Aβ accumulates inside the cells and mice develop behavioral deficits well before visible extracellular β-amyloid accumulation. Here we show that intracellular Aβ accumulates in flotillin-1 positive endocytic vesicles. We also demonstrate that flotillin-1 is not only associated with intracellular Aβ in transgenic mice but also with extracellular β-amyloid plaques in AD patient brain sections. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

La prévalence de changements cérébraux pathologiques dans la population âgée est très élevée, même chez des individus en bonne santé et pleinement autonomes. L’accumulation anormale de la protéine bêta-amyloïde (A), un biomarqueur-clé de la maladie d’Alzheimer (MA), et les hypersignaux de la substance blanche (HSB), qui sont des lésions des petits vaisseaux cérébraux de la substance blanche, sont parmi les pathologies cérébrales liées à l’âge les plus répandues. Un ensemble de preuves scientifiques s’appuyant sur des données neuropathologiques, neuropsychologiques et d’imagerie cérébrale suggère que les personnes âgées cognitivement normales ayant une charge lésionnelle cérébrale importante présentent un déclin cognitif accentué. Ainsi, les changements neuropathologiques chez les aînés en bonne santé sont particulièrement intéressants, car ils constituent des cibles thérapeutiques prometteuses et pourraient contribuer au dépistage précoce de la MA. Cette thèse avait pour but d’examiner les associations entre la charge A, les HSB et l’épaisseur corticale à travers différents domaines de la cognition dans une cohorte de 104 personnes âgées cognitivement normales, en tenant compte de l’âge, du sexe et du niveau d’éducation. Tous les participants ont été soumis à une évaluation neuropsychologique détaillée, ainsi qu’à des examens en résonance magnétique (IRM) structurelle et en tomographie par émission de positons (TEP) avec le Pittsburgh Compound B (PIB). La sévérité des HSB a été quantifiée avec l’échelle Age-Related White Matter Changes (ARWMC). Mis ensemble, les résultats des deux articles empiriques composant cette thèse font ressortir des effets indépendants et additifs de la charge A et du volume de l’hippocampe droit sur la mémoire épisodique, de sorte qu’une pathologie A élevée et un volume plus faible prédisaient des performances moindres. La charge A et les HSB contribuaient de façon additive à une mémoire de travail diminuée et exerçaient des effets délétères synergiques sur la flexibilité mentale et l’attention. Les HSB étaient négativement associés au langage, dont ils étaient le plus important prédicteur. À l’inverse, ni les dépôts A ni les HSB n’étaient corrélés à la mémoire sémantique, la vitesse de traitement de l’information et les fonctions visuospatiales. Dans l’article 1, nous avons démontré que le déclin lié à l’âge au niveau de la mémoire épisodique, la mémoire de travail, la flexibilité mentale et le langage était entièrement médié par le degré de pathologie cérébrale. Dans l’article 2, nous avons démontré qu’il n’y avait pas d’association positive entre les cartes d’épaisseur corticale et les fonctions cognitives, à l’exception de la mémoire sémantique. En outre, la charge A, les HSB et les mesures d’IRM structurelle étaient indépendants les uns des autres, appuyant plutôt la notion de trajectoires physiopathologiques distinctes. Un résultat important de l’article 2 était la relation positive entre la mémoire sémantique et l’épaisseur corticale dans le lobe temporal antérieur (LTA), une région connue pour son rôle unique dans l’intégration des connaissances sémantiques à un niveau transmodal. Les résultats de cette thèse mettent en lumière le rôle médiateur de pathologies cérébrales prévalentes, soit la charge A et les HSB, dans le vieillissement cognitif, et suggèrent que celles-ci induisent des changements cognitifs par le biais de mécanismes physiopathologiques autres que l’atrophie cérébrale. Sur le plan clinique, nos travaux soulignent la pertinence de diversifier les outils d’évaluation utilisés pour le dépistage des troubles cognitifs chez la personne âgée, avec un accent particulier sur la mémoire sémantique. / Compelling evidence shows that pathological changes are highly prevalent in the aging brain, even in otherwise healthy individuals who remain fully functional. Among the most common age-related brain lesions are the abnormal deposition of beta-amyloid (A) peptide, a well-known hallmark of Alzheimer’s disease (AD), and white matter hyperintensities (WMH), which are regarded as a radiological marker of cerebral small vessel disease. Converging evidence from neuropathological, neuropsychological and neuroimaging data suggests that normal older adults harboring high levels of brain pathology exhibit exacerbated cognitive decline. Thus, neuropathological changes in healthy elderly people deserve particular attention as they are potential targets for early intervention and might contribute to the early identification of AD. This thesis sought to examine the associations between Aβ burden, WMH, cortical thickness and cognitive performances across multiple domains in a cohort of 104 cognitively normal older adults, while accounting for age, sex and years of formal education. All participants underwent an extensive neuropsychological assessment along with structural magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) with Pittsburgh Compound B (PIB). WMH severity was assessed using the age-related white matter changes (ARWMC) scale. Combined findings from the two empirical articles making up this thesis demonstrate independent, additive effects of A burden and right hippocampal volume on episodic memory whereby increased A deposition and reduced volume predict decreased performance. A burden and WMH contributed additively to poorer working memory and exerted deleterious synergistic effects on mental flexibility and attention. WMH was the most important predictor of linguistic abilities with higher lesion severity being associated with worse performances on language tasks. Conversely, neither A deposition nor WMH were correlated with semantic memory, processing speed and visuospatial abilities. In article 1, we demonstrated that age-dependent decline in episodic memory, working memory, mental flexibility and language was fully mediated by the extent of brain pathology. In article 2, cognition was not found to be positively associated with cortical thickness in the vertex-wise analyses, except for the domain of semantic memory. Furthermore, A burden, WMH and structural MRI measures were independent of one another, supporting the notion of distinct pathophysiological pathways. A notable finding of article 2 was that thinner cortical thickness in the left anterior temporal lobe (ATL) predicted poorer semantic memory, which is coherent with the role of the ATL in heteromodal semantic processing. The results presented in this thesis shed light on the role of prevalent brain pathologies, namely A burden and WMH, in driving age-related cognitive changes, and suggest that these changes can occur through pathways that are distinct from brain atrophy. Clinically speaking, this work lends support for the inclusion of a wider array of measures to routine screening for cognitive impairment in older adults, with an emphasis on semantic memory.

La maladie d’Alzheimer (MA) et les aphasies progressives primaires (APP) s’accompagnent de perturbations du langage expressif parfois subtiles, mais précoces dans l’évolution de ces maladies neurodégénératives. Considérés dans une approche automatisée, ces changements pourraient constituer des marqueurs de dégénérescence identifiés de façon non invasive et peu onéreuse. À ce titre, ils font l’objet d’études visant à automatiser leur utilisation clinique. Cependant, l’intégration des marqueurs langagiers à une approche diagnostique centrée sur les biomarqueurs reste à faire. À cette fin, la présente thèse a deux objectifs. D’abord, recenser systématiquement les marqueurs du discours qui distinguent le mieux les personnes avec une MA de témoins en santé. Ensuite, appliquer une approche automatisée et à un large éventail de marqueurs de discours pour identifier, dans un groupe hétérogène de patients avec une APP, lesquels ont une pathologie Alzheimer sous-jacente. Afin de mettre en contexte ces deux objectifs, nous proposons une introduction générale comprenant les éléments suivants : la pathophysiologie de la MA et des APP, le rôle croissant des biomarqueurs dans la prise de décision clinique dans les maladies neurodégénératives, les études pionnières du discours en neurodégénérescence, ainsi que de récentes études computationnelles sur les marqueurs de discours dans la MA et les APP. Nos résultats font émerger un patron multidimensionnel (acoustique, lexical, syntaxique, sémantique et pragmatique) de changements langagiers qui distinguent les personnes avec une MA de témoins en santé, avec une prépondérance des marqueurs lexicosémantiques. Dans le groupe de patients avec une APP avec une imagerie amyloïde positive ou négative, nous mesurons ensuite le pouvoir de classification d’un court échantillon de discours et montrons qu’il peut être avantageusement comparé à d’autres biomarqueurs. Nous discutons du patron spécifique de marqueurs discriminants pour ce sous-groupe de patients, notamment l’importance des marqueurs psycholinguistiques pour prédire le résultat de l’imagerie amyloïde à partir du discours. / Alzheimer’s disease (AD) and primary progressive aphasias (PPA) feature changes in expressive language that appear early in the course of the disease. Within an automated analysis framework, these language changes could offer a non-invasive and inexpensive alternative to the collection of biomarkers which are not readily available in most settings. Current research is thus focused on the automated analysis of language data for clinical use. The usefulness of connected speech (CS) markers has not yet been established in a diagnostic perspective focused on biomarkers. To this aim, the present thesis contains two phases. First, we systematically review the CS markers that best differentiate persons with AD from healthy controls. Second, we automatically extract a wide array of CS markers in a heterogenous group of PPA patients by combining expert knowledge and the latest natural language processing software. A machine-learning classification approach identifies PPA patients for the presence of underlying AD pathology. The most discriminant CS features are identified. To integrate the two phases of the thesis, we provide a general introduction with the following sections: the pathophysiology of AD and PPAs, the growing importance of biomarkers in clinical decision-making for neurodegenerative diseases, the seminal studies of CS in neurodegenerative diseases, and the latest computational studies of CS markers in AD and PPA. Our results bring forth a multidimensional pattern (acoustic, lexical, syntactic, semantic, pragmatic) of language changes that distinguish people with AD from healthy controls, with an emphasis on lexical-semantic features. In the group of PPA patients with either positive or negative amyloid imaging, we then describe the classificatory power of a short sample of CS and show that it compares favorably to other biomarkers. We discuss the specific pattern of discriminant markers for this subgroup of patients, in particular the role of psycholinguistics.

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une prothèse de mémoire « intelligente », appelée CAPTAIN MEMO, destinée aux malades d’Alzheimer, pour pallier leurs problèmes mnésiques. Cette prothèse est basée sur l’ontologie temporelle, floue et multilingue appelée MemoFuzzyOnto.Cette prothèse offre des interfaces accessibles à cette classe particulière d’utilisateurs. Nous proposons, pour mettre en œuvre ces interfaces, une méthodologie de conception appelée InterfaceToAlz pour concevoir des interfaces accessibles aux malades d’Alzheimer, et qui offre un guide de 146 bonnes pratiques ergonomiques. De plus, nous proposons un outil de visualisation d’ontologies appelé Memo Graph qui génère un graphe dont la visualisation et la manipulation sont accessibles aux malades d’Alzheimer. Cette proposition est motivée par le fait que CAPTAIN MEMO a besoin de générer et d’éditer le graphe de la famille et de l’entourage du patient, à partir de l’ontologie MemoFuzzyOnto qui structure sa base de connaissances. Memo Graph est fondé sur notre guide de bonnes pratiques ergonomiques et notre approche, appelée Incremental Key-Instances Extraction and Visualisation, qui permet une extraction et une visualisation incrémentale du résumé des assertions ABox de l’ontologie. Il supporte également la visualisation des données ouvertes liées (Linked Data) et le passage à l’échelle. Par ailleurs, nous proposons, dans le cadre de cette thèse, une typologie de l’imperfection des données saisies (principalement due à la discordance mnésique provoquée par la maladie), et une méthodologie pour permettre à CAPTAIN MEMO d’être tolérante à la saisie des données fausses. Nous proposons un modèle d’évaluation de la crédibilité et une approche, nommée Data Believability Estimation for Applications to Alzheimer Patients, permettant d’estimer qualitativement et quantitativement la crédibilité de chaque donnée saisie. Enfin, pour que CAPTAIN MEMO soit tolérante à la saisie des intervalles temporels imprécis nous proposons deux approches : l’une basée sur un environnement précis et l’autre basée sur un environnement flou. Dans chacune des deux approches, nous étendons l’approche 4D-fluents pour représenter les intervalles temporels imprécis et les relations temporelles qualitatives, puis nous étendons l’algèbre d’Allen pour prendre en compte les intervalles imprécis dans le cadre de notre ontologie MemoFuzzyOnto. Nos contributions sont implémentées et évaluées. Nous avons évalué l’accessibilité de ses interfaces utilisateurs, le service de CAPTAIN MEMO qui a pour but de stimuler la mémoire du patient, notre approche pour l’estimation quantitative de la crédibilité des données saisies ainsi que la visualisation du graphe générée à l’aide de Memo Graph. Nous avons également évalué la performance de Memo Graph et son utilisabilité par des experts du domaine. / In the context of this thesis, we propose a “smart” memory prosthesis, called CAPTAIN MEMO, to help Alzheimer’s disease patients to palliate mnesic problems. It is based on a temporal, fuzzy and multilingual ontology named MemoFuzzyOnto. It provides accessible user interfaces to this demographic. To design these interfaces, we propose a methodology named InterfaceToAlz which serves as an information base for guiding and evaluating the design of user interfaces for Alzheimer’s disease patients. It identifies 146 design guidelines.Besides, we propose an ontology visualization tool called Memo Graph which offers an accessible and understandable visualization to Alzheimer’s disease patients. In fact, in the context of CAPTAIN MEMO, there is a need to generate the patient entourage/family tree from its personal data structured according to MemoFuzzyOnto. Memo Graph is based on our design guidelines and our approach, named Incremental Key-Instances Extraction and Visualisation, to extract and visualize descriptive instance summarizations from a given ontology and generate “summary instance graphs” from the most important data. It supports Linked Data visualization and scaling.Furthermore, we propose a typology of the imperfection of the data entered (mainly due to the memory discordance caused by this disease), and a methodology to allow false data entry. We propose a believability model and an approach called Data Believability Estimation for Applications to Alzheimer Patients to estimate qualitatively and quantitatively the believability of each data entered. Finally, CAPTAIN MEMO allows imprecise time intervals entry. We propose two approaches: a crisp-based approach and a fuzzy-based approach. The first one uses only crisp standards and tools and is modeled in OWL 2. The second approach is based on fuzzy sets theory and fuzzy tools and is modeled in Fuzzy-OWL 2. For the two approaches, we extend the 4D-fluents model to represent imprecise time intervals and qualitative interval relations. Then, we extend the Allen’s interval algebra to compare imprecise time interval in the context of MemoFuzzyOnto. Our contributions are implemented and evaluated. We evaluated the service of CAPTAIN MEMO which has the aim to stimulate the patient’s memory, the accessibility of its user interfaces, the efficiency of our approach to estimate quantitatively the believability of each data entered and the visualization generated with Memo Graph. We also evaluated Memo Graph with domain expert users.