En médecine, les analyses de population à grande échelle ont pour but d’obtenir des informations statistiques pour mieux comprendre des maladies, identifier leurs facteurs de risque, développer des traitements préventifs et curatifs et améliorer la qualité de vie des patients.Dans cette thèse, nous présentons d’abord le contexte médical de la maladie d’Alzheimer, rappelons certains concepts d’apprentissage statistique et difficultés rencontrées lors de l’application en imagerie médicale. Dans la deuxième partie,nous nous intéressons aux analyses transversales, c-a-d ayant un seul point temporel.Nous présentons une méthode efficace basée sur les séparateurs à vaste marge (SVM)permettant de classifier des lésions dans la matière blanche. Ensuite, nous étudions les techniques d’apprentissage de variétés pour l’analyse de formes et d’images, et présentons deux extensions des Laplacian eigenmaps améliorant la représentation de patients en faible dimension grâce à la combinaison de données d’imagerie et cliniques. Dans la troisième partie, nous nous intéressons aux analyses longitudinales, c-a-d entre plusieurs points temporels. Nous quantifions les déformations des hippocampus de patients via le modèle des larges déformations par difféomorphismes pour classifier les évolutions de la maladie. Nous introduisons de nouvelles stratégies et des régularisations spatiales pour la classification et l’identification de marqueurs biologiques. / In medicine, large scale population analysis aim to obtain statistical information in order to understand better diseases, identify their risk factors, develop preventive and curative treatments and improve the quality of life of the patients.In this thesis, we first introduce the medical context of Alzheimer’s disease, recall some concepts of statistical learning and the challenges that typically occurwhen applied in medical imaging. The second part focus on cross-sectional studies,i.e. at a single time point. We present an efficient method to classify white matter lesions based on support vector machines. Then we discuss the use of manifoldlearning techniques for image and shape analysis. Finally, we present extensions ofLaplacian eigenmaps to improve the low-dimension representations of patients usingthe combination of imaging and clinical data. The third part focus on longitudinalstudies, i.e. between several time points. We quantify the hippocampus deformations of patients via the large deformation diffeomorphic metric mapping frameworkto build disease progression classifiers. We introduce novel strategies and spatialregularizations for the classification and identification of biomarkers.

Alzheimers sjukdom är den vanligaste orsaken till demens och i samband med att befolkningen blir större och allt äldre ökar även antalet patienter. Vid sjukdomen sker en hjärnatrofi och de mikroskopiska fynd man ser är extracellulära plack av β-amyloid, intracellulära neurofibriller av fosforylerat tau och förlust av nervcellsutskott, axoner, synapser och dendriter. Några av de tidiga patologiska förändringarna man kan se är störningar i nervcellernas lysosomala system som fyller en viktig roll vid nedbrytning av makromolekyler. I en tidigare studie har man påvisat förhöjda nivåer av proteiner från det lysosomala systemet i cerebrospinalvätska. Syftet med den här studien var att mäta nivåer av det lysosomala systemets proteiner i human hjärnvävnad från patienter med Alzheimer och jämföra dessa med kontrollprover. De sex proteiner som analyserades med Western blot var EEA1, PICALM, LAMP-1, LAMP-2, LC3 och TFEB. Resultaten visar på signifikant ökning i temporala cortex av LAMP-1 och LAMP-2 och en signifikant minskning av LC3 och EEA1 hos patienter med Alzheimers sjukdom. För att kunna dra riktiga slutsatser kring hur de ökade nivåerna i cerebrospinalvätska speglar de olika sjukdomsmekanismerna i hjärnan krävs vidare analyser av fler patientprover samt prover från andra områden i hjärnan. / Alzheimer's disease is the most common cause of dementia, and when the population becomes larger and older also the number of patients increase. A cerebral atrophy and microscopic findings of extracellular plaques of β-amyloid, intracellular neurofibrillary of phosphorylated tau and loss of nerve cell protrusions, axons, synapses and dendrites are seen during the disease. One of the early pathological changes is the disruption of the neuronal lysosomal network that plays an important role in the degradation of macromolecules. In a previous study elevated levels of proteins of the lysosomal network in cerebrospinal fluid from Alzheimer’s disease patients was demonstrated. The purpose of this study was to measure levels of the lysosomal network system in the brain. The six proteins EEA1, PICALM, LAMP-1, LAMP -2, LC3 and TFEB were analyzed in human brain tissue from five Alzheimer's disease cases and five control cases by Western blot. The results show a significant increase in the temporal cortex of LAMP-1 and LAMP -2 and a significant decrease of LC3 and EEA1 in patients with Alzheimer's disease. In order to draw proper conclusions about how the increased levels in cerebrospinal fluid reflect the different disease mechanisms in the brain it requires further analysis of more patient samples and from other areas of the brain.

Ce travail visait à évaluer le potentiel d’une méthodologie innovante récemment adaptée à la Souris sur la base de tests neuropsychologiques utilisés en clinique humaine. Après optimisation de 3 tâches (PAL, VMCL, PVD) ciblant différentes fonctions cognitives chez l’animal, nos études ont établi : (1) l’existence possible d’interférences proactives lors d’apprentissages consécutifs ; (2) l’absence de déficit d’acquisition chez les souris de la lignée Tg2576 (modèle transgénique de la maladie d’Alzheimer), quelle que soit l’étendue de la charge amyloïde ; (3) l’implication spécifique du striatum dorsal lors de l’acquisition des tâches de VMCL et PAL, et celle de l’hippocampe lors du rappel de cette dernière tâche. Ces derniers résultats suggèrent qu’en dépit des efforts déployés pour s’assurer du caractère translationnel d’une tâche cognitive dans le paradigme du touchscreen, certaines adaptations inhérentes à chaque espèce influencent profondément les bases neurobiologiques associées. / This thesis work aimed to specify the potential of an innovative methodology latterly adapted in mice from neuropsychological tasks used in Humans. After the optimization of 3 assays (PAL, VMCL, PVD) taxing various cognitive functions in animals, different behavioral studies have gradually revealed: (1) the putative existence of proactive interferences over consecutive learnings in touchscreen tasks; (2) no acquisition deficit in Tg2576 mice (a transgenic model of Alzheimer’s Disease) in these paradigms, whatever the amyloid load considered; (3) the specific involvement of the dorsal striatum during the acquisition of VMCL and PAL tasks and the key role of the hippocampus during the recall of the latter task. As exemplified by the PAL task, our results suggest that despite momentous efforts in order to ensure the translational feature of touchscreen cognitive tasks, certain adaptations inherent to each species deeply influence the nature of underlying neurobiological substrates.

Les maladies neurodégénératives représentent un défi sociétal majeur. Trouver des outils pour mieux comprendre et diagnostiquer ces maladies est donc nécessaire. La spectroscopie infrarouge (IR) et Raman semblent être de bons candidats puisqu’elles peuvent caractériser l’état physiopathologique d’un échantillon. Le but de cette thèse a été d’appliquer ces méthodes à l’étude de peptides modèles, de tissus cérébraux et de liquides céphalorachidiens (LCR). Dans le cadre de l’étude des tissus cérébraux, la spectroscopie IR et Raman ont été couplées à la microscopie afin de combiner des informations spectrales et spatiales. Cela a permis de mieux comprendre la formation et le rôle des plaques amyloïdes dans la maladie d’Alzheimer (MA). Egalement, cela a permis de montrer l’intérêt d’utiliser ces méthodes dans des études futures pour suivre l’effet de différents traitements contre la sclérose en plaques. Concernant l’étude des LCR, la spectroscopie IR en mode ATR et la spectroscopie Raman exaltée de surface ont été utilisées afin de mettre en évidence des marqueurs spectroscopiques de la MA et de la maladie à corps de Lewy qui pourraient permettre un diagnostic plus précoce de ces maladies et un diagnostic différentiel entre ces deux. / Neurodegenerative diseases represent a major societal challenge. So, it is necessary to develop new tools for a better understanding and diagnosing of these diseases. Infrared (IR) and Raman spectroscopies seem to be good candidates since they can characterize the physiopathological conditions of a biological sample. The purpose of this thesis was to apply these methods to the study of model peptides, brain tissues and cerebrospinal fluids (CSF). As a part of brain tissue analysis, IR and Raman spectroscopy were coupled to microscopy in order to combine spectral and spatial information. This methodology improved our understanding of the formation and the role of amyloid plaques in Alzheimer’s disease (AD). Moreover, it allowed to demonstrate the potential of these approaches in future studies on the effect of various treatments against multiple sclerosis. Concerning the study of CSF, IR-ATR and surface enhanced Raman spectroscopy were applied to identify spectroscopic markers of AD and Lewy body disease that could enable early diagnosis of these diseases and discrimination between them.

L’objectif de cette thèse est l’étude des changements de la forme de l’hippocampe due à l’atrophie causée par la maladie d’Alzheimer. Pour ce faire, des algorithmes et des méthodes ont été développés pour segmenter l’hippocampe à partir d’imagerie structurelle par résonance magnétique (IRM) et pour modéliser les variations dans sa forme. Nous avons utilisé une méthode de segmentation par propagation de multiple atlas pour la segmentation de l’hippocampe, méthode qui a été démontrée comme étant robuste dans la segmentation des structures cérébrales. Nous avons développé une méthode supervisée pour construire une base de données d’atlas spécifique à la population d’intérêt en propageant les parcellations d’une base de données génériques d’atlas. Les images correctement segmentées sont inspectées et ajoutées à la base de données d’atlas, de manière à améliorer sa capacité à segmenter de nouvelles images. Ces atlas sont évalués en termes de leur accord lors de la segmentation de nouvelles images. Comparé aux atlas génériques, les atlas spécifiques à la population d’intérêt obtiennent une plus grande concordance lors de la segmentation des des images provenant de cette population. La sélection d’atlas est utilisée pour améliorer la précision de la segmentation. La méthode classique de sélection basée sur la similarité des images est ici étendue pour prendre en compte la pertinence marginale maximale (MMR) et la régression des moindres angles (LAR). En prenant en considération la redondance parmi les atlas, des critères de diversité se montrent être plus efficace dans la sélection des atlas dans le cas où seul un nombre limité d’atlas peut-être fusionné. A partir des hippocampes segmentés, des modèles statistiques de la forme (SSM) sont construits afin de modéliser les variations de la forme de l’hippocampe dans la population. La correspondance entre les hippocampes est établie par une optimisation d’ensemble des surfaces paramétriques. Les paramétrages sphériques des surfaces sont aplatis pour faciliter la reparamétrisation et l’interpolation. Le reparamétrage est régularisé par une contrainte de type fluide visqueux, qui est effectué à l’aide d’une implémentation basée sur la transformées en sinus discrète. Afin d’utiliser le SSM pour décrire la forme d’une nouvelle surface hippocampique, nous avons développé un estimateur des paramètres du model de la forme basée sur l’espérance-maximisation de l’algorithme du plus proche voisin itéré (EM-ICP). Un terme de symétrie est inclus pour forcer une consistance entre la transformée directe et inverse entre le modèle et la forme, ce qui permet une reconstruction plus précise de la forme à partir du modèle. La connaissance a priori sur la forme modélisé par le SSM est utilisée dans l’estimation du maximum a posteriori des paramètres de forme. Cette méthode permet de forcer la continuité spatiale et éviter l’effet de sur-apprentissage. Dans l’étude de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer, nous utilisons le SSM pour modéliser le changement de forme de l’hippocampe entre les sujets sains et des patients souffrant d’Alzheimer. Nous identifions les régions touchées par l’atrophie dans la maladie d’Alzheimer en évaluant la différence entre les groupes de contrôle et ceux d’Alzheimer sur chaque point correspondant sur la surface. L’analyse des changements de la forme est restreinte aux régions présentant des différences significatives entre les groupes, ce qui a pour effet d’améliorer la discrimination basée sur l’analyse en composantes principales (ACP) du SSM. Les composantes principales décrivant la variabilité de la forme à l’intérieur des régions discriminantes ont une corrélation plus fortes avec le déclin des scores de mémoire épisodique liée à la pathologie de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer. / The aim of this thesis is to investigate the shape change in hippocampus due to the atrophy in Alzheimer’s disease (AD). To this end, specific algorithms and methodologies were developed to segment the hippocampus from structural magnetic resonance (MR) images and model variations in its shape. We use a multi-atlas based segmentation propagation approach for the segmentation of hippocampus which has been shown to obtain accurate parcellation of brain structures. We developed a supervised method to build a population specific atlas database, by propagating the parcellations from a smaller generic atlas database. Well segmented images are inspected and added to the set of atlases, such that the segmentation capability of the atlas set may be enhanced. The population specific atlases are evaluated in terms of the agreement among the propagated labels when segmenting new cases. Compared with using generic atlases, the population specific atlases obtain a higher agreement when dealing with images from the target population. Atlas selection is used to improve segmentation accuracy. In addition to the conventional selection by image similarity ranking, atlas selection based on maximum marginal relevance (MMR) re-ranking and least angle regression (LAR) sequence are developed for atlas selection. By taking the redundancy among atlases into consideration, diversity criteria are shown to be more efficient in atlas selection which is applicable in the situation where the number of atlases to be fused is limited by the computational resources. Given the segmented hippocampal volumes, statistical shape models (SSMs) of hippocampi are built on the samples to model the shape variation among the population. The correspondence across the training samples of hippocampi is established by a groupwise optimization of the parameterized shape surfaces. The spherical parameterization of the hippocampal surfaces are flatten to facilitate the reparameterization and interpolation. The reparameterization is regularized by viscous fluid, which is solved by a fast implementation based on discrete sine transform. In order to use the hippocampal SSM to describe the shape of an unseen hippocampal surface, we developed a shape parameter estimator based on the expectationmaximization iterative closest points (EM-ICP) algorithm. A symmetric data term is included to achieve the inverse consistency of the transformation between the model and the shape, which gives more accurate reconstruction of the shape from the model. The shape prior modeled by the SSM is used in the maximum a posteriori estimation of the shape parameters, which is shown to enforce the smoothness and avoid the effect of over-fitting. In the study of the hippocampus in AD, we use the SSM to model the hippocampal shape change between the healthy control subjects and patients diagnosed with AD. We identify the regions affected by the atrophy in AD by assessing the spatial difference between the control and AD groups at each corresponding landmark. Localized shape analysis is performed on the regions exhibiting significant inter-group difference, which is shown to improve the discrimination ability of the principal component analysis (PCA) based SSM. The principal components describing the localized shape variability among the population are also shown to display stronger correlation with the decline of episodic memory scores linked to the pathology of hippocampus in AD.

Le plan Alzheimer 2008-2012 prévoyait la création d’une base de données nationale recueillant des données d’activité de l’ensemble des centres mémoire français. La banque nationale Alzheimer (BNA) s’est vu assignée un double objectif : contribuer à adapter l’offre de soins spécialisés et générer des données épidémiologiques sur la maladie d’Alzheimer et les maladies apparentées. Les bases de données médico-administratives sont utiles dans le champ de l’épidémiologie car les effectifs sont importants, les données reflètent les pratiques quotidiennes et le suivi longitudinal est le plus souvent possible. Des problèmes spécifiques se posent également car elles n’ont en général pas été conçues dans un objectif de recherche, manquent d’informations spécifiques d’une problématique donnée et présentent des limites en termes de validité. L’objectif de ce travail est d’étudier la BNA comme outil épidémiologique. Pour ce faire nous avons effectué des travaux relatifs à la qualité des données et à la validité externe de la base de données, nous avons également mené un travail spécifique sur l’atrophie corticale postérieure afin de montrer les possibilités de la BNA comme outil pour l’étude des affections neuro-dégénératives rares. Notre travail montre que la qualité des données est perfectible par la mise en place d’un contrôle qualité plus structuré. La BNA est actuellement capable de reproduire des résultats de recherche décrits dans la littérature et semble sensible aux grandes tendances décrites dans l’environnement. Nous proposons une série de mesures qui permettrait à la BNA d’être un meilleur outil pour la recherche en épidémiologie. / The French Alzheimer database (BNA) is part of the third French plan against Alzheimer’s disease and related disorders. The objective of this database is to collect activity data of all French memory centers in order to help health authorities to organize the care offer and to generate epidemiologic knowledge on dementia. Administrative database have advantages and drawback in terms of medical research. It can gather data related to a large population, reflects the “real life” of patients and medical practices and allows longitudinal follow-up. On this other side some specific problems exists among them validity is a real concern. The objective of this work was to assess the BNA as an epidemiologic tool. We performed quality analyses and external validity studies in this perspective and initiated a research on posterior cortical atrophy to illustrate the potential of the database for the study of rare conditions. Our work shows that quality can be increased by the setup of a more structured quality program. The BNA is currently able to reproduce known published results and is sensitive to the environment. In this work we give some recommendations to increase the value of the BNA for epidemiological research.

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.