Downstream regulatory element antagonist modulator (DREAM) is involved in various interactions with targets both inside and outside of the nucleus. In the cytoplasm, DREAM interacts with the C-terminal fragments of presenilins to facilitate the production of β-amyloid plaques in Alzheimer’s disease. In the nucleus, Ca2+ free DREAM directly binds to specific downstream regulatory elements of prodynorphin/c-fos gene to repress the gene transcription in pain modulation. These interactions are regulated by Ca2+ and/or Mg2+ association at the EF-hands in DREAM. Therefore, understanding the conformational dynamics and stability associated with Ca2+ and/or Mg2+ binding to DREAM is crucial for elucidating the mechanisms of interactions of DREAM with DNA or presenilins. The critical barrier for envisioning the mechanisms of these interactions lies in the lack of NMR/crystal structures of Apo and Mg2+DREAM. Using a combination of fluorescence spectroscopy, circular dichroism, isothermal titration calorimetry, photothermal spectroscopy, and computational approaches, I showed that Mg2+ association at the EF-hand 2 structurally stabilizes the N-terminal alpha-helices 1, 2, and 5, facilitating the interaction with DNA. Binding of Ca2+ at the EF-hand 3 induces significant structural changes in DREAM, mediated by several hydrophobic residues in both the N- and C-domains. These findings illustrate the critical role of EF-hand 3 for Ca2+ signal transduction from the C- to N-terminus in DREAM. The Ca2+ association at the EF-hand 4 stabilizes the C-terminus by forming a cluster consisting of several hydrophobic residues in C-terminal domain. I also demonstrated that association of presenilin-1 carboxyl peptide with DREAM is Ca2+ dependent and the complex is stabilized by aromatic residues F462 and F465 from presenilin-1 and F252 from DREAM. Stabilization is also provided by residues R200 and R207 in the loop connecting a7 and a8 in DREAM and the residues D450 and D458 in presenilin-1. These findings provide a structural basis for the development of new drugs for chronic pain and Alzheimer’s disease treatments.

Le rôle que pourrait jouer l’interaction des systèmes cholinergiques (ACh) et dopaminergiques (DA) semble crucial dans la physiopathologie de certaines maladies neurodégénératives, en particulier dans la démence à corps de Lewy (DCL). Ce travail de thèse se propose de valider un protocole d’imagerie moléculaire en tomographie d’émission monophotonique, consistant en un marquage de l’ACh et de la DA chez un même individu, afin de pouvoir étudier in vivo les interactions ACh/DA.Après avoir mis au point chez des sujets âgés et des patients atteints de maladie d’Alzheimer une méthode d’imagerie cérébrale quantitative des neurones ACh utilisant un radioligand sélectif du transporteur vésiculaire de l’ACh, le [123I]-IBVM, et basée sur une modélisation pharmacocinétique, nous avons montré le potentiel de cette méthode à mettre en évidence une atteinte différentielle des circuits ACh dans la Paralysie Supranucléaire Progressive et l’Atrophie Multisystématisée. Dans la dernière partie de ce travail de thèse, nous avons pour la première fois réalisé un double marquage des systèmes ACh et DA dans la DCL, en utilisant, en plus du [123I]-IBVM, un radioligand sélectif du transporteur de la dopamine et validé en routine clinique, le [123I]-FP-CIT. En parallèle, une étude comportementale évaluant la présence d’hallucinations, de fluctuations cognitives, d’altérations des rythmes circadiens ainsi qu’un bilan des performances neuropsychologiques, ont été menés. Cette étude est actuellement en cours de réalisation. Les tous premiers résultats montrent l’existence de liens cohérents entre les données d’imagerie moléculaire et les données cliniques. / The question of how acetylcholine (ACh) and dopamine (DA) could be involved together in the pathophysiology of some neurodegenerative disorders is essential, particularly in dementia with Lewy bodies (DLB). The present study aims at assessing an in vivo molecular imaging method of both ACh and DA brain systems using single photon emission computed tomography. In the first part of the present study, a method based on pharmacokinetic analysis making it possible to quantify ACh neurons in vivo, using [123I]-IBVM, a specific radioligand of vesicular acetylcholine transporter, was developed and validated in healthy subjects and Alzheimer’s disease patients. Then, we showed the ability of our method to demonstrate a differential alteration of ACh pathways in Progressive Supranuclear Palsy and Multiple System Atrophy patients. In the last part of this study, we imaged for the first time both ACh and DA systems in DLB patients, using not only [123I]-IBVM, but also [123I]-FP-CIT, a specific radioligand of dopamine transporter. Concomitantly, a behavioral exploration of hallucinations, fluctuating cognition and disturbances of circadian rhythms was achieved in these patients, as well as a neuropsychological examination. This study is currently in progress. The first results show consistent links between imaging and clinical data.

À l’heure où le numérique s’est totalement imposé dans notre quotidien, nous pouvons nous demander comment évolue notre bien-être. La réalité virtuelle hautement immersive permet de développer des environnements propices à la relaxation qui peuvent améliorer les capacités cognitives et la qualité de vie de nombreuses personnes. Le premier objectif de cette étude est de réduire les émotions négatives et améliorer les capacités cognitives des personnes souffrant de déclin cognitif subjectif (DCS). À cette fin, nous avons développé un environnement de réalité virtuelle appelé Savannah VR, où les participants ont suivi un avatar à travers une savane. Nous avons recruté dix-neuf personnes atteintes de DCS pour participer à l’expérience virtuelle de la savane. Le casque Emotiv Epoc a capturé les émotions des participants pendant toute l’expérience virtuelle. Les résultats montrent que l’immersion dans la savane virtuelle a réduit les émotions négatives des participants et que les effets positifs ont continué par la suite. Les participants ont également amélioré leur performance cognitive. La confusion se manifeste souvent au cours de l’apprentissage lorsque les élèves ne comprennent pas de nouvelles connaissances. C’est un état qui est également très présent chez les personnes atteintes de démence à cause du déclin de leurs capacités cognitives. Détecter et surmonter la confusion pourrait ainsi améliorer le bien-être et les performances cognitives des personnes atteintes de troubles cognitifs. Le deuxième objectif de ce mémoire est donc de développer un outil pour détecter la confusion. Nous avons mené deux expérimentations et obtenu un modèle d’apprentissage automatique basé sur les signaux du cerveau pour reconnaître quatre niveaux de confusion (90% de précision). De plus, nous avons créé un autre modèle pour reconnaître la fonction cognitive liée à la confusion (82 % de précision). / At a time when digital technology has become an integral part of our daily lives, we can ask ourselves how our well-being is evolving. Highly immersive virtual reality allows the development of environments that promote relaxation and can improve the cognitive abilities and quality of life of many people. The first aim of this study is to reduce the negative emotions and improve the cognitive abilities of people suffering from subjective cognitive decline (SCD). To this end, we have developed a virtual reality environment called Savannah VR, where participants followed an avatar across a savannah. We recruited nineteen people with SCD to participate in the virtual savannah experience. The Emotiv Epoc headset captured their emotions for the entire virtual experience. The results show that immersion in the virtual savannah reduced the negative emotions of the participants and that the positive effects continued afterward. Participants also improved their cognitive performance. Confusion often occurs during learning when students do not understand new knowledge. It is a state that is also very present in people with dementia because of the decline in their cognitive abilities. Detecting and overcoming confusion could thus improve the well-being and cognitive performance of people with cognitive impairment. The second objective of this paper is, therefore, to develop a tool to detect confusion. We conducted two experiments and obtained a machine learning model based on brain signals to recognize four levels of confusion (90% accuracy). In addition, we created another model to recognize the cognitive function related to the confusion (82% accuracy).

Des études soutiennent que l’entraînement cognitif est une méthode efficace pour ralentirle déclin cognitif chez les personnes âgées. Les jeux sérieux basés sur la réalité virtuelle(RV) ont trouvé une application dans ce domaine en raison du haut niveau d’immersionet d’interactivité offert par les environnements virtuels (EV). Ce projet implémente unjeu d’orientation 3D en réalité virtuelle entièrement immersif avec un système pour guiderl’utilisateur en temps réel. Le jeu d’orientation 3D est utilisé comme exercice pour entraînerles capacités cognitives des utilisateurs. Les effets immédiats du jeu d’orientation sur lescapacités de mémoire et d’attention ont été étudiés sur quinze personnes âgées présentant undéclin cognitif subjectif (DCS). Il a été observé que bien qu’il n’y ait pas eu d’améliorationsignificative des résultats pour les exercices d’attention, les participants ont obtenu demeilleurs résultats aux exercices de mémoire spécifiques après avoir joué au jeu d’orientation. Le manque de succès dans la réalisation de l’objectif requis peut parfois augmenter lesémotions négatives chez les êtres humains, et plus particulièrement chez les personnes quisouffrent de déclin cognitif. C’est pourquoi le jeu a été équipé d’un système de guidageavec indices de localisation en temps réel pour contrôler les émotions négatives et aiderles participants à accomplir leurs tâches. Le système de guidage est basé sur des règleslogiques; chaque indice est délivré si une condition spécifique est remplie. Le changement desémotions des participants a montré que les indices sont efficaces pour réduire la frustration,étant donné qu’ils sont facilement compréhensibles et conçus pour donner un retour positif. La dernière partie du projet se concentre sur le système de guidage et met en oeuvre unmoyen pour l’activer entièrement selon les émotions d’une personne. Le problème consisteà identifier l’état des émotions qui devraient déclencher l’activation du système de guidage.Ce problème prend la forme d’un processus de décision markovien (PDM), qui peut êtrerésolu via l’apprentissage par renforcement (AR). Le réseau profond Q (RPQ) avec relectured’expérience (ER), qui est l’un des algorithmes d’apprentissage par renforcement les plusavancés pour la prédiction d’actions dans un espace d’action discret, a été utilisé dans cecontexte. L’algorithme a été formé sur des données d’émotions simulées, et testé sur les données de quinze personnes âgées acquises lors d’expériences menées dans la première partiedu projet. On observe que la méthode basée sur l’AR est plus performante que la méthodebasée sur les règles pour identifier l’état mental d’une personne afin de lui fournir des indices. / Studies support cognitive training as an efficient method to slow the cognitive declinein older adults. Virtual reality (VR) based serious games have found application in thisfield due to the high level of immersion and interactivity offered by virtual environments(VE). This project implements a fully immersive 3D virtual reality orientation game with areal-time guidance system to be used as an exercise for cognitive training. The immediateaftereffects of playing the orientation game on memory and attention abilities were studiedon fifteen older adults with subjective cognitive decline (SCD). It was observed that whilethere was no significant improvement in attention exercises, the participants performedbetter in specific memory exercises after playing the orientation game. Sometimes lack of success in achieving the required objective may increase the negativeemotions in humans and more so in people who suffer from cognitive decline. Hence, thegame was equipped with a real-time guidance system with location hints to control negativeemotions and help participants to complete the tasks. The guidance system is based onlogical rules; each hint is delivered if a specific condition is met. Change in emotions ofparticipants showed that hints are effective in reducing frustration, given that the hints areeasily comprehensible and designed to give positive feedback. The final part of the project focuses on the guidance system and implements a way toactivate it entirely based on a person’s emotions. The problem calls for identifying the stateof the emotions that should trigger the guidance system’s activation. This problem takes theform of a Markov decision process (MDP), which can be solved by setting it in a reinforcementlearning framework. Deep Q-Learning network (DQN) with experience replay (ER),which is one of the state-of-the-art reinforcement learning algorithms for predicting actionsin discrete action space, was used in this context. The algorithm was trained on simulateddata of emotions and tested on the data of fifteen older adults acquired in experimentsconducted in the first part of the project. It is observed that the RL based method performsbetter than the rule-based method in identifying the mental state of a person to provide hints.

Des efforts importants ont été faits pour améliorer la précision de la détection des actions humaines à l’aide des articulations du squelette. Déterminer les actions dans un environnement bruyant reste une tâche difficile, car les coordonnées cartésiennes des articulations du squelette fournies par la caméra de détection à profondeur dépendent de la position de la caméra et de la position du squelette. Dans certaines applications d’interaction homme-machine, la position du squelette et la position de la caméra ne cessent de changer. La méthode proposée recommande d’utiliser des valeurs de position relatives plutôt que des valeurs de coordonnées cartésiennes réelles. Les récents progrès des réseaux de neurones à convolution (RNC) nous aident à obtenir une plus grande précision de prédiction en utilisant des entrées sous forme d’images. Pour représenter les articulations du squelette sous forme d’image, nous devons représenter les informations du squelette sous forme de matrice avec une hauteur et une largeur égale. Le nombre d’articulations du squelette fournit par certaines caméras de détection à profondeur est limité, et nous devons dépendre des valeurs de position relatives pour avoir une représentation matricielle des articulations du squelette. Avec la nouvelle représentation des articulations du squelette et le jeu de données MSR, nous pouvons obtenir des performances semblables à celles de l’état de l’art. Nous avons utilisé le décalage d’image au lieu de l’interpolation entre les images, ce qui nous aide également à obtenir des performances similaires à celle de l’état de l’art. / There have been significant efforts in the direction of improving accuracy in detecting human action using skeleton joints. Recognizing human activities in a noisy environment is still challenging since the cartesian coordinate of the skeleton joints provided by depth camera depends on camera position and skeleton position. In a few of the human-computer interaction applications, skeleton position, and camera position keep changing. The proposed method recommends using relative positional values instead of actual cartesian coordinate values. Recent advancements in CNN help us to achieve higher prediction accuracy using input in image format. To represent skeleton joints in image format, we need to represent skeleton information in matrix form with equal height and width. With some depth cameras, the number of skeleton joints provided is limited, and we need to depend on relative positional values to have a matrix representation of skeleton joints. We can show the state-of-the-art prediction accuracy on MSR data with the help of the new representation of skeleton joints. We have used frames shifting instead of interpolation between frames, which helps us achieve state-of-the-art performance.

La maladie d’Alzheimer (MA) est à l’origine de la majorité des cas de démence chez les personnes âgées. Son diagnostic précoce est essentiel pour mieux comprendre les mécanismes cérébraux sous-tendant la manifestation phénotypique de la maladie et développer des interventions conséquentes. Le fait d’étudier des individus à risque de développer la MA, par exemple ceux présentant un déclin cognitif subjectif (DCS) ou un trouble cognitif léger (TCL), offre l’opportunité d’examiner les processus neuropathophysiologiques qui précèdent le stade démentiel. Cela permettrait, entre autres, d’identifier des biomarqueurs avant-coureurs de la maladie. Cette thèse avait pour but d’investiguer la présence d’hyperactivation cérébrale chez des individus à risque de développer la MA, et d’examiner les réseaux cérébraux fonctionnels associés à l’hyperactivation. L’hyperactivation se définit par la présence de niveaux supérieurs d’activation cérébrale chez des personnes faisant partie de groupes à risque pour la MA (p.ex. DCS ou TCL), comparativement à des participants contrôles cognitivement sains. L’hyperactivation est le plus souvent mesurée par l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en condition de réalisation de tâche. Dans cette thèse, le lecteur ou la lectrice sera d’abord exposée aux études ayant utilisé l’IRMf pour examiner les patrons d’activation cérébrale et de connectivité fonctionnelle chez les individus ayant reçu un diagnostic clinique de MA, de TCL ou présentant un DCS. Les modèles théoriques découlant de ces études seront ensuite présentés. Afin de mieux comprendre le phénomène d’hyperactivation et sa relation avec les patrons de connectivité fonctionnelle, les divers enjeux scientifiques qui demeurent à être abordés seront ensuite décrits (Chapitre 1). Trois articles exposant les études empiriques formant le corps de la thèse seront ensuite présentés. La première étude avait pour but de documenter la présence, la localisation et l’évolution longitudinale de l’hyperactivation iv associée à une tâche de mémoire épisodique chez des individus qui rencontrent les critères de TCL et qui ont ultérieurement progressé vers une démence (Chapitre 2). La deuxième étude visait à déterminer la trajectoire de l’activation cérébrale associée à une tâche de mémoire associative en fonction du degré de sévérité de la maladie chez un groupe d’individus à risque de développer la MA. Elle avait également pour but de déterminer la présence d’hyperactivation chez des personnes rencontrant les critères de DCS plus (ou DCS+), qui sont des individus présentant une plainte de mémoire ainsi que des marqueurs génétiques et/ou de neurodégénérescence pour la MA (Chapitre 3). La troisième étude avait pour but d’examiner les réseaux cérébraux fonctionnels associés aux régions montrant de l’hyperactivation chez des individus à risque de développer la MA. Elle avait également pour objectif d’évaluer comment l’hyperactivation et ces réseaux cérébraux fonctionnels sont reliés aux performances en mémoire (Chapitre 4). Les résultats découlant de l’étude 1 ont permis de mettre en évidence la présence d’hyperactivation chez des individus présentant un TCL et ayant ultérieurement progressé vers le stade de démence. Les trouvailles de l’étude 2 indiquent qu’une fonction quadratique décrit la relation entre des indices de sévérité de la maladie et l’activation pariétale supérieure gauche chez un groupe d’individus à risque de développer la MA (DCS+ et TCL). Par ailleurs, des niveaux supérieurs d’activation, c’est-à-dire de l’hyperactivation, étaient retrouvés dans les hippocampes + et plusieurs régions temporo-pariétales dans le groupe d’individus DCS . Une hypoactivation pariétale supérieure gauche était plutôt retrouvée chez les individus TCL. Enfin, les résultats de l’étude 3 indiquent que l’hyperactivation de régions prédéterminées est associée à la dysfonction de réseaux cérébraux fonctionnels impliqués dans les processus de mémoire associative dans le DCS+ et le TCL. De plus, ces interactions hyperactivation-réseaux étaient associées à une symptomatologie cognitive croissante. Les implications de cette thèse et ses limites sont abordées dans la discussion (Chapitre 5). / Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of dementia in older adults. Its early diagnosis is essential to better understand the brain mechanisms underlying the phenotypical manifestation of the disease and develop consequent interventions. The study of individuals at risk of AD, for example those presenting with subjective cognitive decline (SCD) or mild cognitive impairment (MCI), offers the opportunity to examine the neuropathophysiological processes preceding the dementia stage. This would allow, among other things, to identify early biomarkers of the disease. The general aim of this thesis was to determine the presence of cerebral hyperactivation and to assess functional brain networks associated with hyperactivation. Hyperactivation is defined by the presence of higher levels of brain activation in individuals at risk of AD (i.e. SCD, MCI) in comparison to cognitively healthy controls. Hyperactivation is most often measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI) while participants perform a cognitive task. In this thesis, the reader will first be exposed to the studies which used fMRI to examine patterns of brain activation and connectivity in individuals with a clinical diagnosis of AD, MCI or presenting with SCD. Theoretical models resulting from these studies will then be presented. The scientific issues remaining to be addressed to better understand the phenomenon of hyperactivation and its relation to functional brain networks will then be described (Chapter 1). Three empirical studies forming the core of this thesis will be presented. The first study aimed to assess the presence, localization and longitudinal evolution of hyperactivation associated with an episodic memory task in individuals meeting criteria for MCI and having subsequently progressed towards dementia (Chapter 2). The second study aimed to determine the trajectory of brain activation associated with an associative memory task as a function of disease severity in a group of individuals at risk of AD. It also aimed to determine if hyperactivation is present in viii participants meeting criteria for SCD plus (or SCD+), who are individuals presenting with memory complaint in addition to genetic and/or neurodegeneresence markers of AD (Chapter 3). The third and last study aimed to examine patterns of functional connectivity related to regions of hyperactivation, and to assess how hyperactivation and its associated functional networks relate to memory performance in individuals at risk of AD (Chapter 4). Results from the first study highlighted the presence of hyperactivation in individuals with MCI who subsequently progressed to the dementia stage. Findings from the second study revealed a quadratic function describing the relationship between proxies of disease severity (neurodegeneration, memory performance) and left superior parietal activation in a group of individuals at risk of AD (SCD+ and MCI). Moreover, higher levels of activation, i.e. hyperactivation, were found in hippocampal and temporo-parietal regions in the SCD+ group. Hypoactivation was rather found in the left superior parietal area in the MCI group. Finally, results from the third study revealed that hyperactivation of predetermined regions was associated with dysfunction of functional brain networks underlying associative memory in SCD+ and MCI. Moreover, these hyperactivation-network interactions were associated with increasing symptomatology. The implications of this thesis and its limits are addressed in the discussion section (Chapter 5).

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.:CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Alzheimer’s disease 1 1.2 APP processing and β-amyloid production 2 1.3 Cholinergic dysfunction in Alzheimer’s disease 5 1.4 Cerebrovascular abnormalities in Alzheimer’s disease 8 1.5 Cholinergic innervation of intracortical cerebral microvessels 9 1.6 Transgenic Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease 11 1.7 Aim of study 14 CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS 2.1 Materials 15 2.1.1 Chemical reagents used 15 2.1.2 Biological reagents used 15 2.1.3 Preparation of solutions and buffers 15 2.1.4 Antibodies and reagents used for immunohistochemistry 17 2.1.5 Transgenic animals 19 2.2 Methods 20 2.2.1 Tissue preparation and sampling of sections 20 2.2.2 Immunohistochemistry 20 2.2.2.1 Protocol of immunofluorescent labeling 20 2.2.2.2 Protocol of immunoperoxidase labeling (ABC technique) 21 2.2.2.3 Combination of primary and secondary antibodies 22 2.2.2.4 Protocol of β–amyloid immunolabeling (Formic acid epitope retrieval method) 23 2.2.3 Histochemistry 23 2.2.3.1 Thioflavin S staining 23 2.2.3.2 Nissl staining 23 2.2.3.3 Solanum Tuberosum Lectin (STL) staining 24 2.2.4 Double and triple-coloured immuno-/ histochemical staining of brain sections 24 2.2.5 Microscopy and digital image processing 25 2.2.6 Morphological and morphometric analyses 25 2.2.6.1 Cortical microvessels 25 2.2.6.2 Cortical cholinergic innervation 27 2.2.6.2.1 Total density of VAChT-immunoreactivity 27 2.2.6.2.2 Estimation of the density of varicosities on cholinergic fibres 29 2.2.6.3 Estimation of cholinergic perivascular innervation of cortical microvessels 29 2.2.6.4 Three-dimensional-imaging of vessels innervation 30 2.2.7 Statistical analysis 30 CHAPTER 3: RESULTS 3.1 Developmental and amyloid plaque-related changes in cerebral cortical capillaries in transgenic Tg2576 Alzheimer mice 31 3.1.1 Morphological distribution of brain vessels in the cerebral cortex of wild type mice 31 3.1.2 Microvessel density under plaque burden 33 3.2 Developmental and amyloid plaque-related changes in cholinergic neurotransmission in cholinoceptive target regions of transgenic Tg2576 mice 39 3.2.1 Visualisation of cholinergic nerve terminals in mouse brain 39 3.2.2 VAChT-Expression in wild type and transgenic Tg2576 mice 40 3.3 Role of cholinergic system in β-amyloid-related changes in the cerebrovascular system of transgenic Tg2576 mice 46 3.3.1 Solanum tuberosum lectin (STL) histochemistry in visualisation of brain vessels, β-amyloid, and microglia 46 3.3.1.1 Solanum tuberosum lectin and brain vessels 46 3.3.1.2 Solanum tuberosum lectin and β-amyloid plaques 47 3.3.1.3 Solanum tuberosum lectin staining to visualize glial cells 48 3.3.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 and wild type mice 50 CHAPTER 4: DISCUSSION 4.1 β-Amyloid and brain vascular system: the vascular hypothesis of Alzheimer’s disease 55 4.1.1 Evidences of a role of vascular mechanisms in Alzheimer’s disease 55 4.1.2 Effect of β-amyloid on brain vascular system 57 4.1.3 Effect of ischemia and hypoperfusion on APP processing 59 4.1.4 Effect of β-amyloid on cholinergic function in brain vascular system 59 4.2 Aim of study and main results obtained 61 4.3 Age-related changes in cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 62 4.4 Age-related changes of cholinergic terminals in cholinoceptive target regions in the presence and absence of β-amyloid plaque load 64 4.4.1 VAChT – a reliable marker for detection of cholinergic terminals in cerebral cortex 64 4.4.2 The barrel field of the somatosensory cortex 1 (S1BF) as a model region to reveal age-related changes in cholinergic innervation 65 4.4.3 VAChT expression: morphological and morphometric studies 66 4.5 Age-related changes in cholinergic innervation of cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 69 4.5.1 STL – a mono-marker for detection of cortical vessels, senile amyloid plaques and activated microglia in cerebral cortex 69 4.5.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 mice 70 4.5.3 Quantitation of cholinergic input on cerebral microvessels of mouse brain 71 4.6 Summary and conclusions 75 REFERENCES 77

Les mécanismes de type prion sont désormais reconnus comme sous-tendant la plupart des maladies neurodégénératives humaines, avec en premier lieu la maladie d’Alzheimer (MA) au niveau de ses 2 marqueurs spécifiques, l’amyloïde β (Aβ à l’origine de l’hypothèse étiopathogénique de la cascade amyloïde) et la protéine Tau phosphorylée. Par ailleurs la protéine du prion (PrPC) est décrite comme interagissant à de multiples niveaux avec le métabolisme de l’Aβ sans que les mécanismes physiopathologiques sous-jacents n’aient pu être expliqués. Pour sortir de l’impasse actuelle concernant le développement d’approches thérapeutiques efficaces pour la MA, l’industrie pharmaceutique a besoin de modèles expérimentaux innovants. En effet, à ce jour aucun modèle in vivo, en dépit des progrès réalisés avec les souris transgéniques, n’arrive à refléter la complexité cérébrale humaine ni à mimer une MA clinique. Les cultures in vitro en 2D sont quant à elles très éloignées des situations conduisant à l’accumulation d’agrégats protéiques pathologiques. Le but de notre thèse a été d’utiliser dans le domaine des neurosciences les nouvelles perspectives de recherche ouvertes par les technologies des cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS) en développant un modèle de différentiation en 3D pour obtenir des organoïdes cérébraux humains (OC) (mini cerveaux). Leur capacité d’auto-organisation en 3D de tissu neuroectodermique nous a permis de recréer un système complexe mimant différentes structures cérébrales humaines dans lesquelles nous avons pu caractériser les marqueurs attendus. L’étude de l’expression des protéines d’intérêt APP et PrPC pendant la différentiation neurale a permis de caractériser la modulation des niveaux des deux protéines en fonction du temps de culture. Afin d’orienter le modèle vers des mécanismes d’accumulation protéique de type MA, nous avons testé différents inducteurs chimiques dont l’Aftin-5 qui est capable de moduler les voies post-traductionnelles de l’APP. Plusieurs stratégies de traitement ont été adoptées pour induire le clivage de l’APP et la génération d’Aβ. La production des fragments solubles Aβ38, Aβ40, Aβ42 a été mise en évidence par ELISA. Les niveaux générés sont reproductibles et l’augmentation du ratio Aβ42/Aβ40 est cohérente avec les données extrapolées des modèles murins et humains, ce qui a permis de valider notre modèle. Les niveaux d’expression génique et protéique de PrPC et de APP suite au traitement ont été analysés afin de mieux déterminer le rôle de l’interaction entre ces deux facteurs. L’objectif à long terme consiste à améliorer ce modèle, dont les limites actuelles sont notamment l’absence de vascularisation et le niveau de maturation du tissu neural. Le défi majeur dans le cadre de la culture des OC consiste donc à favoriser l’intégration du système vasculaire, et par ailleurs à accélérer le vieillissement in vitro pour l’étude de maladies neurodégénératives. La perspective de pouvoir automatiser le système de culture des OC permet d’envisager l’utilisation de ce modèle à plus grande échelle dans le cadre de test de cytotoxicité et/ou de criblage pharmacologique à haut débit pour identifier de nouvelles molécules thérapeutiques pour la MA. / Prion-like mechanisms are known to underlie most of human neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease (AD), which is characterized by two important pathological markers, β amyloid (or Aβ at the origin of the etiopathogenic amyloid cascade hypothesis) and phosphorylated tau protein. Furthermore, the prion protein (PrPC) interacts at multiple levels with the metabolism of Aβ, by mechanisms which are not well understood. To overcome the current limits in the development of efficient strategies to treat AD, the pharmaceutical industry requires innovative experimental models. However, even if a lot of progress has been achieved by using transgenic mouse models, to date no in vivo model can reflect the complexity of human brain or reproduce a clinical context. 2D in vitro cell culture models are unable to allow the aggregation and accumulation of pathological proteins as observed in vivo. The aim of this study consists in taking advantage of the research prospects offered by induced pluripotent stem cell (iPSCs) in the field of neurosciences. iPSCs can be used to generate 3D models of differentiation also called human cerebral organoids or mini-brains (MBs). Their ability to self-organise in 3D neuroectodermic tissue leds to a complex system that mimics different human cerebral structures in which we were able to characterize the expected markers. The study of the two proteins of interest (APP and PrPC) during neural differentiation has allowed us to follow the modulation of protein expression level occurring during the in vitro development of the human MBs. In order to use this model to reproduce the protein accumulation mechanisms seen in AD, we have tested chemical inductors such as Aftin-5 in order to modulate the APP post-transcriptional pathway towards a pathological outcome. Many strategies of treatment are adopted to lead APP cleavage and Aβ generation. The production of soluble fragments Aβ38, Aβ40, Aβ42 in the supernatant of organoids has been showed using ELISA technique. The levels generated are reproducible and the increase of Aβ42/Aβ40 ratio is consistent with extrapolated data from mouse and human models thus validating our model. Analysis at the gene and protein level has been assessed in order to understand the interaction between PrPC and APP after treatment. The long-term goal consists in improving this model which is notably hampered by the absence of vascularization and the low level of maturation of the neural tissue. The main challenge in MB culture thus consists in the integration of the vascular system, and also in increasing the speed of ageing process in vitro for the study of neurodegenerative diseases. In the long term, the prospect of automating the culture of MBs would allow the use of the system for cytotoxicity testing and/or high throughput screening for the discovery of new drugs for AD.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie cérébrale dégénérative qui entraîne une perte progressive de la mémoire, un déclin cognitif et une détérioration graduelle de la capacité d'une personne à faire face à la complexité et à l'exigence des tâches quotidiennes nécessaires pour vivre en autonomie dans notre société actuelle. Les traitements pharmacologiques actuels peuvent ralentir le processus de dégradation attribué à la maladie, mais ces traitements peuvent également provoquer certains effets secondaires indésirables. L'un des traitements non pharmacologiques qui peut soulager efficacement les symptômes est la thérapie assistée par l'animal (T.A.A.). Mais en raison de certaines limitations telles que le prix des animaux et des problèmes d'hygiène, des animaux virtuels sont utilisés dans ce domaine. Cependant, les animaux virtuels animés, la qualité d'image approximative et le mode d'interaction unidirectionnel des animaux qui attendent passivement les instructions de l’utilisateur, peuvent difficilement stimuler le retour émotionnel entre l'utilisateur et les animaux virtuels, ce qui affaiblit considérablement l'effet thérapeutique. Cette étude vise à explorer l'efficacité de l'utilisation d'animaux virtuels à la place d’animaux vivants et leur impact sur la réduction des émotions négatives chez le patient. Cet objectif a été gardé à l'esprit lors de la conception du projet Zoo Therapy, qui présente un environnement immersif d'animaux virtuels en 3D, où l'impact sur l'émotion du patient est mesuré en temps réel par électroencéphalographie (EEG). Les objets statiques et les animaux virtuels de Zoo Therapy sont tous présentés à l'aide de modèles 3D réels. Les mouvements des animaux, les sons et les systèmes de repérage spécialement développés prennent en charge le comportement interactif simulé des animaux virtuels. De plus, pour que l'expérience d'interaction de l'utilisateur soit plus réelle, Zoo Therapy propose un mécanisme de communication novateur qui met en œuvre une interaction bidirectionnelle homme-machine soutenue par 3 méthodes d'interaction : le menu sur les panneaux, les instructions vocales et le Neurofeedback. La manière la plus directe d'interagir avec l'environnement de réalité virtuelle (RV) est le menu sur les panneaux, c'est-à-dire une interaction en cliquant sur les boutons des panneaux par le contrôleur de RV. Cependant, il était difficile pour certains utilisateurs ayant la MA d'utiliser le contrôleur de RV. Pour accommoder ceux qui ne sont pas bien adaptés ou compatibles avec le contrôleur de RV, un système d'instructions vocales peut être utilisé comme interface. Ce système a été reçu positivement par les 5 participants qui l'ont essayé. Même si l'utilisateur choisit de ne pas interagir activement avec l'animal virtuel dans les deux méthodes ci-dessus, le système de Neurofeedback guidera l'animal pour qu'il interagisse activement avec l'utilisateur en fonction des émotions de ce dernier. Le système de Neurofeedback classique utilise un système de règles pour donner des instructions. Les limites de cette méthode sont la rigidité et l'impossibilité de prendre en compte la relation entre les différentes émotions du participant. Pour résoudre ces problèmes, ce mémoire présente une méthode basée sur l'apprentissage par renforcement (AR) qui donne des instructions à différentes personnes en fonction des différentes émotions. Dans l'expérience de simulation des données émotionnelles synthétiques de la MD, la méthode basée sur l’AR est plus sensible aux changements émotionnels que la méthode basée sur les règles et peut apprendre automatiquement des règles potentielles pour maximiser les émotions positives de l'utilisateur. En raison de l'épidémie de Covid-19, nous n'avons pas été en mesure de mener des expériences à grande échelle. Cependant, un projet de suivi a combiné la thérapie de RV Zoo avec la reconnaissance des gestes et a prouvé son efficacité en évaluant les valeurs d'émotion EEG des participants. / Alzheimer’s disease (AD) is a degenerative brain disease that causes progressive memory loss, cognitive decline, and gradually impairs one’s ability to cope with the complexity and requirement of the daily routine tasks necessary to live in autonomy in our current society. Actual pharmacological treatments can slow down the degradation process attributed to the disease, but such treatments may also cause some undesirable side effects. One of the non-pharmacological treatments that can effectively relieve symptoms is animal-assisted treatment (AAT). But due to some limitations such as animal cost and hygiene issues, virtual animals are used in this field. However, the animated virtual animals, the rough picture quality presentation, and the one-direction interaction mode of animals passively waiting for the user's instructions can hardly stimulate the emotional feedback background between the user and the virtual animals, which greatly weakens the therapeutic effect. This study aims to explore the effectiveness of using virtual animals in place of their living counterpart and their impact on the reduction of negative emotions in the patient. This approach has been implemented in the Zoo Therapy project, which presents an immersive 3D virtual reality animal environment, where the impact on the patient’s emotion is measured in real-time by using electroencephalography (EEG). The static objects and virtual animals in Zoo Therapy are all presented using real 3D models. The specially developed animal movements, sounds, and pathfinding systems support the simulated interactive behavior of virtual animals. In addition, for the user's interaction experience to be more real, the innovation of this approach is also in its communication mechanism as it implements a bidirectional human-computer interaction supported by 3 interaction methods: Menu panel, Speech instruction, and Neurofeedback. The most straightforward way to interact with the VR environment is through Menu panel, i.e., interaction by clicking buttons on panels by the VR controller. However, it was difficult for some AD users to use the VR controller. To accommodate those who are not well suited or compatible with VR controllers, a speech instruction system can be used as an interface, which was received positively by the 5 participants who tried it. Even if the user chooses not to actively interact with the virtual animal in the above two methods, the Neurofeedback system will guide the animal to actively interact with the user according to the user's emotions. The mainstream Neurofeedback system has been using artificial rules to give instructions. The limitation of this method is inflexibility and cannot take into account the relationship between the various emotions of the participant. To solve these problems, this thesis presents a reinforcement learning (RL)-based method that gives instructions to different people based on multiple emotions accordingly. In the synthetic AD emotional data simulation experiment, the RL-based method is more sensitive to emotional changes than the rule-based method and can automatically learn potential rules to maximize the user's positive emotions. Due to the Covid-19 epidemic, we were unable to conduct large-scale experiments. However, a follow-up project combined VR Zoo Therapy with gesture recognition and proved the effectiveness by evaluating participant's EEG emotion values.

Thèse en recherche-création / Cette recherche-création doctorale, dont l’un des principaux objectifs consiste à éprouver la portée heuristique de l’écriture comme recherche, est composée d’un recueil intitulé Murmurations - et d’un essai réflexif que j’appréhende comme mon Carnet de voyage-thèse. Fondamentalement articulés, ils procèdent des expérimentations d’écritures auxquelles je me suis prêtée avec trois autres femmes : Catherine, Fanie et France. Dans le cadre de ma thèse, je nous ai invitées à écrire nos vieillissements. Le recueil Murmurations, destiné à être publié, réunit les huit textes que nous avons produits, mes co-autrices et moi, à la suite d’une correspondance in absentia que nous devions entreprendre avec les personnes que nous considérons respectivement comme nos pères. Ces derniers ont un point commun, celui d’avoir reçu, au cours des 10 années précédant le début de ma recherche, un diagnostic d’Alzheimer ou d’une maladie apparentée (généralement associée au vieillissement et, plus précisément, au vieillissement du cerveau). Je reproduis ci-dessous la quatrième de couverture de Murmurations, le recueil d’écritures de vieillissements dont, en tant que chercheuse et initiatrice du projet, j’ai fait l’édition : Murmurations Pratiques d’écritures multiples et multiformes saisies en plein vol. Recueillies ici, ces écritures de France Brûlé, Fanie Pelletier, Catherine Lépine-Lafrance et Karine Bellerive composent une fascinante chorégraphie. Écrire les vieillissements. Écrire ses vieillissements, ses rapports changeants à soi, à son père, aux héritages et aux deuils, à la littérature, à l’écriture, au temps, au monde… Me situant à l’intersection des cultural studies et des aging studies, j’aborde dans mon Carnet de voyage-thèse les différents enjeux de vieillissements qui se sont révélés à travers nos expérimentations d’écritures, à mes co-autrices et moi. La réflexion que je déploie dans cet essai réflexif se situe à l’encontre des conceptions strictement chronologiques, et en cela réductrices, du vieillissement. Sous-tendu par une épistémologie résolument féministe, l’ensemble de mon projet vise, au contraire, à en montrer l’hétérogénéité et les aspérités - bien au-delà des perspectives qui l’envisagent d’emblée comme déclin et, à l’autre bout du spectre, des injonctions au successful aging. J’appréhende ainsi les vieillissements en ce qu’ils sont informés par nombre de discours, de pratiques et de rapports de pouvoir et en ce qu’ils participent de multiples temporalités. Ponctué d’écritures en images, mon Carnet de voyage-thèse est découpé en six parties, lesquelles peuvent être abordées dans le désordre. Les Lignes de départ offrent cependant quelques clés de lecture. Suivent la Station Femmes et littératures, la Station Deuils, les Passages et passagers : écrire dans la maison du père, la Station Héritières et héritage et la Station Écritures. Dans les Lignes de départ, j’expose les grandes lignes de mon projet : les questions et préoccupations qui l’ont initié, ainsi que les choix sur lesquels il repose sur le plan méthodologique. Je donne également un bref aperçu de l’ensemble de l’essai. Suit la présentation de mes co-autrices : Catherine, Fanie et France. J’aborde enfin, succinctement, les considérations épistémologiques, éthiques et politiques qui m’ont guidée tout au long de ma recherche. Mon travail, dans la Station Femmes et littératures, repose sur mon appropriation du matérialisme culturel de Raymond Williams, et plus spécifiquement du concept de structure of feeling. Je réfléchis, d’une part, aux manières dont nos pratiques littéraires, à Catherine, Fanie, France et moi, s’inscrivent au sein des littératures et des littératures de femmes. Et j’observe, d’autre part, les rapports de pouvoir et les régimes de valeur qui les traversent. Dans la Station Deuils, je m’applique à problématiser et à historiciser les deuils auxquels je nous ai vues confrontées, Catherine, Fanie, France et moi, à travers nos écritures de vieillissements. Je m’intéresse à ce qui les constitue comme deuils et aux manières dont nous les négocions à travers nos écritures. Dans les Passages et passagers : écrire dans la maison du père, je pose la question du père. Toute cette section met en quelque sorte les pères sous rature, dans l’optique les penser au-delà du sens commun - largement fondé sur une idéologie du sang. J’observe ensuite les pères et les rapports fille-père qui sont écrits par des autrices à différentes époques, de même que les pères et les rapports fille-père que nous écrivons nous-mêmes, Catherine, Fanie, France et moi. Je me penche plus précisément sur ce que génèrent ces écritures de pères. Ma pratique d’écriture réflexive, dans la Station Héritières et héritage, s’inspire de celle de Maggie Nelson dans Les Argonautes (2015). Je m’intéresse au travail de l’héritage, soit aux enjeux que ce travail soulève, aux contraintes et aux libertés qui le fondent et à ce vers quoi il nous oriente, mes co-autrtices et moi. J’adopte une perspective derridienne dans la Station Écritures afin d’appréhender l’écriture en tant que trace, en tant qu’inscription. J’ouvre le concept pour montrer comment diverses approches de l’écriture posent différentes questions et m’amènent à penser différents enjeux, dont plusieurs s’articulent à des enjeux de vieillissements. J’expose d’abord comment nos expérimentations d’écritures, à Catherine, Fanie, France et moi, s’inscrivent dans un souci de soi et des autres. Je présente ensuite les matérialités qui les constituent. Je m’intéresse enfin à certains enjeux de pouvoir qui les traversent ainsi qu’à leur force performative. / This doctoral research-creation, one of whose main objectives is to test the heuristic scope of writing as research, is made up of a collection entitled Murmurations and a reflective essay that I envision as my Carnet de voyage-thèse, or logbook/thesis. These two intertwined components are an outgrowth of the writing experiments in which I engaged with three other women, namely Catherine, Fanie, and France. As part of my thesis, I invited the four of us to “write our agings”. Murmurations is a collection (destined to be published) of eight texts that my co-authors and I produced following in absentia correspondence we set out to pursue with the people we respectively consider to be our fathers. All of them shared the commonality of having been diagnosed with Alzheimer’s or a related illness (generally associated with aging and, more specifically, with brain aging) within the 10 years prior to the start of my research. Below I have reproduced (freely translated into English) the back cover of Murmurations, the collection of writings which I edited, as the researcher and project initiator: Murmurations Multiple and multifaceted writings captured in mid-flight. Collected here are writings by France Brûlé, Fanie Pelletier, Catherine Lépine-Lafrance, and Karine Bellerive, which together make up a captivating choreography. To write our agings. To write our agings, changing relationships with ourselves, our fathers, inheritances and mourning, literature, writing, time, the world... Located at the crossroads of cultural studies and aging studies, I take up in my logbook/thesis the various issues of aging that came to light through my own and my co-authors’ writing experiments. The reflection that I develop in this reflective essay is at odds with strictly chronological, and therefore reductive, conceptions of aging. My entire project is underpinned by a resolutely feminist epistemology and quite conversely sets out to show the heterogeneity and rough edges of aging—beyond outlooks of aging seen a priori as a decline or, at the other end of the spectrum, exhortations of successful aging. I understand aging as being informed by a number of discourses, practices, and power relations, and partaking in multiple temporalities. My logbook/thesis is interspersed with images and divided into six parts, which can be approached in any (dis)order. The Lignes de départ or opening lines, however, offer some keys for reading the text. They are followed by the Station Femmes et littératures (women and literatures station), the Station Deuils (mourning station), Passages et passagers : écrire dans la maison du père (passages and passengers: writing in the father’s house), the Station Héritières et héritage (heiresses and inheritance station), and the Station Écritures (writings station). In the opening lines, I outline my project, i.e., the questions and concerns that gave rise to it, as well as the choices on which its methodology is based. I also give a brief overview of the essay as a whole. This is followed by a presentation of my co-authors, Catherine, Fanie, and France. Finally, I briefly discuss the epistemological, ethical, and political considerations that guided me throughout my research. My work in the Station Femmes et littératures is based on my appropriation of Raymond Williams’ cultural materialism, and more specifically the concept of structure of feeling. I reflect on how our (Catherine’s, Fanie’s, France’s, and my own) literary practices are situated within literature and women’s literatures in particular. At the same time, I also observe the power relations and value systems inhabiting these literatures. In the Station Deuils, I attempt to problematize and historicize the mourning that I have seen Catherine, Fanie, France, and myself face through our writings. I am interested in what constitutes this mourning as grief and how we negotiate this grief through our writings. In Passages et passagers : écrire dans la maison du père, I pose the question of the father. This entire section in a sense places fathers under erasure, in order to ponder them beyond common sense (i.e., largely based on an ideology of blood relations). I then look at fathers and daughter-father relationships that have been written about by women authors during different time periods, as well as the fathers and the daughter-father relationships that Catherine, Fanie, France, and I have written ourselves. I look specifically at what emerges from these writings on fathers. My reflective writing practice in the Station Héritières et héritage is inspired by Maggie Nelson’s practice in Les Argonautes (2015). I examine the work of inheritance: the issues that this work raises, its underlying constraints and freedoms, and how it orients my co-authors and me. I adopt a Derridean perspective in the Station Écritures in order to grasp writing as a trace, as an inscription. I break down the concept to show how different approaches to writing raise different questions and lead me to think about different issues, many of which are connected with issues of aging. I first explain how our (Catherine’s, Fanie’s, France’s, and my own) writing experiments participate in care of the self and others. I then discuss their inherent materiality. Finally, I investigate some of their associated power issues and their performative power. Keywords: Aging, writing, literary practices, literatures, women, father, family, Alzheimer’s, mourning, inheritance, perfomativity, feminist epistemology, power relations, cultural studies, aging studies.