Ce projet de maîtrise s'inclut dans une volonté d'obtenir une variété d'outils afin d'étudier le cerveau. Il porte sur la conception et la mise en place d'un module d'imagerie en temps de vie de phosphorescence (PhLIM), annexé à un microscope deux photons. Ce module, une fois en place permet de mesurer de manière optique la pression partielle d'oxygène (pO₂) dans le cerveau de souris munies d'une fenêtre crânienne. L'oxygène joue un rôle essentiel dans le fonctionnement du cerveau. Son étude ouvre la porte à une meilleure compréhension des états normaux du cerveau, mais aussi une meilleure compréhension de son rôle dans diverses pathologies. Ce type de mesure de l'oxygène est rendu possible par le biais d'une sonde d'oxygène optimisée pour l'imagerie in vivo dans le cerveau en ayant une grande section efficace d'absorption deux photons et un grand rendement quantique de phosphorescence. Son application se base sur la relation inversement proportionnelle qui relie le temps de vie en phosphorescence d'un fluorophore à la pO₂ dans son environnement direct. Afin de mesurer le temps de vie d'un fluorophore, de courts pulses d'excitation laser sont utilisés pour exciter le fluorophore puis les photons de phosphorescence émis sont collectés. Ces données une fois traitées permettent de retrouver le temps de vie qui peut être relié à la pO₂. Ce présent document présente brièvement le rôle de l'oxygène dans le cerveau et les défis associés à la mesure précise de l'oxygénation. Ensuite, les bases théoriques de la phosphorescence nécessaires à la compréhension du projet sont expliquées, notamment les mécanismes d'étanchement de la phosphorescence. Puis, le système mis en place et les performances des différents éléments le composant sont dépeints, ainsi que le contrôle logiciel de ces éléments. Finalement, les sections suivantes analysent les performances du module mis en place notamment par des mesures effectuées sur fantôme et une simulation de données. / This master's project is part of an effort to develop a variety of tools for studying the brain. It focuses on the design and implementation of a phosphorescence lifetime imaging (PhLIM) module attached to a two-photon microscope. Once implemented, this module allows for the optical measurement of the partial pressure of oxygen (pO₂) in the brain of mice with a cranial window. Oxygen plays a crucial role in brain function. Studying it provides a better understanding of normal brain states as well as its role in various pathologies. This type of oxygen measurement is made possible by oxygen probes optimized for in vivo brain imaging, which have a high two-photon absorption cross-section and a high phosphorescence quantum yield. Their application is based on the inverse relationship between the phosphorescence lifetime of a fluorophore and the pO₂ in its immediate environment. To measure the lifetime of a fluorophore, short laser excitation pulses are used to excite the fluorophore, and the emitted phosphorescence photons are collected. Once processed, these data allow the determination of the lifetime, which can be linked to the pO₂. This document briefly presents the role of oxygen in the brain and the challenges associated with accurately measuring oxygenation. Then, the theoretical foundations of phosphorescence necessary for understanding the project are explained, including the mechanisms of phosphorescence quenching. The document also describes the implemented system and the performance of its various components, as well as the software control of these elements. Finally, the following sections analyze the performance of the implemented module, particularly through measurements on phantoms and data simulations.

L’hippocampe joue un rôle central dans la navigation spatiale, la mémoire et l’organisation spatio-temporelle des souvenirs. Ces fonctions sont maintenues par la capacité du gyrus denté (GD) de séparation des patrons d'activité neuronales. Le GD est situé à l’entrée de la formation hippocampique où il reconnaît la présence de nouveaux motifs parmi la densité de signaux afférant arrivant par la voie entorhinale (voie perforante). Le codage parcimonieux est la marque distinctive du GD. Ce type de codage est le résultat de la faible excitabilité intrinsèque des cellules granulaires (CGs) en combinaison avec une inhibition locale prédominante. En particulier, l’inhibition de type « feedforward » ou circuit inhibiteur antérograde, est engagée par la voie perforante en même temps que les CGs. Ainsi les interneurones du circuit antérograde fournissent des signaux GABAergique aux CGs de manière presque simultanée qu’elles reçoivent les signaux glutamatergiques. Cette thèse est centrée sur l’étude des interactions entre ces signaux excitateurs de la voie entorhinale et les signaux inhibiteurs provenant des interneurones résidant dans le GD et ceci dans le contexte du codage parcimonieux et le patron de décharge en rafale caractéristique des cellules granulaires. Nous avons adressé les relations entre les projections entorhinales et le réseau inhibitoire antérograde du GD en faisant des enregistrements électrophysiologiques des CG pendant que la voie perforante est stimulée de manière électrique ou optogénétique. Nous avons découvert un nouvel mécanisme d’inhibition qui apparait à délais dans les CGs suite à une stimulation dans les fréquences gamma. Ce mécanisme induit une hyperpolarisation de longue durée (HLD) et d’une amplitude prononce. Cette longue hyperpolarisation est particulièrement prolongée et dépasse la durée d’autres types d’inhibition transitoire lente décrits chez les CGs. L’induction de HLD crée une fenêtre temporaire de faible excitabilité suite à laquelle le patron de décharge des CGs et l’intégration d’autres signaux excitateurs sont altérés de manière transitoire. Nous avons donc conclu que l’activité inhibitrice antérograde joue un rôle central dans les processus de codage dans le GD. Cependant, alors qu’il existe une multitude d’études décrivant les interneurones qui font partie de ce circuit inhibiteur, la question de comment ces cellules sont recrutées par la voie entorhinale reste quelque peu explorée. Pour apprendre plus à ce sujet, nous avons enregistré des interneurones résidant iii dans la couche moléculaire du GD tout en stimulant la voie perforante de manière optogénétique. Cette méthode de stimulation nous a permis d’induire la libération de glutamate endogène des terminales entorhinales et ainsi d’observer le recrutement purement synaptique d’interneurones. De manière surprenante, les résultats de cette expérience démontrent un faible taux d’activation des interneurones, accompagné d’un tout aussi faible nombre total de potentiels d’action émis en réponse à la stimulation même à haute fréquence. Ce constat semble contre-intuitif étant donné qu’en générale on assume qu’une forte activité inhibitrice est requise pour le maintien du codage parcimonieux. Tout de même, l’analyse des patrons de décharge des interneurones qui ont été activés a fait ressortir la prééminence de trois grands types: décharge précoce, retardée ou régulière par rapport le début des pulses lumineux. Les résultats obtenus durant cette thèse mettent la lumière sur l’important conséquences fonctionnelles des interactions synaptique et polysynaptique de nature transitoire dans les réseaux neuronaux. Nous aimerions aussi souligner l’effet prononcé de l’inhibition à court terme du type prolongée sur l’excitabilité des neurones et leurs capacités d’émettre des potentiels d’action. De plus que cet effet est encore plus prononcé dans le cas de HLD dont la durée dépasse souvent la seconde et altère l’intégration d’autres signaux arrivants simultanément. Donc on croit que les effets de HLD se traduisent au niveau du réseaux neuronal du GD comme une composante cruciale pour le codage parcimonieux. En effet, ce type de codage semble être la marque distinctive de cette région étant donné que nous avons aussi observé un faible niveau d’activation chez les interneurones. Cependant, le manque d’activité accrue du réseau inhibiteur antérograde peut être compensé par le maintien d’un gradient GABAergique constant à travers le GD via l’alternance des trois modes de décharges des interneurones. En conclusion, il semble que le codage parcimonieux dans le GD peut être préservé même en absence d’activité soutenue du réseau inhibiteur antérograde et ceci grâce à des mécanismes alternatives d’inhibition prolongée à court terme. / The hippocampus is implicated in spatial navigation, the generation and recall of memories, as well as their spatio-temporal organization. These functions are supported by the processes of pattern separation that occurs in the dentate gyrus (DG). Situated at the entry of the hippocampal formation, the DG is well placed to detect and sort novelty patterns amongst the high-density excitatory signals that arrive via the entorhinal cortex (EC). A hallmark of the DG is sparse encoding that is enabled by a combination of low intrinsic excitability of the principal cells and local inhibition. Feedforward inhibition (FFI) is recruited directly by the EC and simultaneously with the granule cells (GCs). Therefore, FFI provides fast GABA release and shapes input integration at the millisecond time scale. This thesis aimed to investigate the interplay of entorhinal excitatory signals with GCs and interneurons, from the FFI in the DG, in the framework of sparse encoding and GC’s characteristic burst firing. We addressed the long-range excitation – local inhibitory network interactions using electrophysiological recordings of GCs – while applying an electrical or optogenetic stimulation of the perforant path (PP) in the DG. We discovered and described a novel delayed-onset inhibitory post synaptic potential (IPSP) in GCs, following PP stimulation in the gamma frequency range. Most importantly, the IPSP was characterized by a large amplitude and prolonged decay, outlasting previously described slow inhibitory events in GCs. The long-lasting hyperpolarization (LLH) caused by the slow IPSPs generates a low excitability time window, alters the GCs firing pattern, and interferes with other stimuli that arrive simultaneously. FFI is therefore a key player in the computational processes that occurs in the DG. However, while many studies have been dedicated to the description of the various types of the interneurons from the FFI, the question of how these cells are synaptically recruited by the EC remains not entirely elucidated. We tackled this problem by recording from interneurons in the DG molecular layer during PP-specific optogenetic stimulation. Light-driven activation of the EC terminals enabled a purely synaptic recruitment of interneurons via endogenous glutamate release. We found that this method of stimulation recruits only a subset of interneurons. In addition, the total number of action potentials (AP) was surprisingly low even at high frequency stimulation. This result is counterintuitive, as strong and persistent inhibitory signals are assumed to restrict GC v activation and maintain sparseness. However, amongst the early firing interneurons, late and regular spiking patterns were clearly distinguishable. Interestingly, some interneurons expressed LLH similar to the GCs, arguing that it could be a commonly used mechanism for regulation of excitability across the hippocampal network. In summary, we show that slow inhibition can result in a prolonged hyperpolarization that significantly alters concurrent input’s integration. We believe that these interactions contribute to important computational processes such as sparse encoding. Interestingly, sparseness seems to be the hallmark of the DG, as we observed a rather low activation of the interneuron network as well. However, the alternating firing of ML-INs could compensate the lack of persistent activity by the continuous GABA release across the DG. Taken together these results offer an insight into a mechanism of feedforward inhibition serving as a sparse neural code generator in the DG.

Des études transversales récentes ont révélé qu’une fonction cardiorespiratoire (FCR) élevée était associée à une détérioration de l’autorégulation cérébrale dynamique (ACd); capacité intrinsèque des vaisseaux cérébraux à moduler leur résistance en réponse à des changements rapides et abrupts de la pression sanguine afin de maintenir le débit sanguin cérébral (DSC). Jusqu’à présent, peu d’études ont observé les effets longitudinaux de l’entraînement sur le DSC et l’ACd. Celles qui l’ont fait, ont étudié des sédentaires jeunes et âgés ou ayant des conditions cliniques qui ont eu des effets bénéfiques sur la santé cardiorespiratoire et cérébrovasculaire suite à l’entraînement. Cependant, l’étendue possible de l’amélioration de la FCR chez des individus déjà entraînés en endurance est inconnue. Pour améliorer leur FCR, ils ont souvent recours aux entraînements par intervalles à haute intensité soit infra-maximal ou supra-maximal. Par contre, l’influence de l’intensité des entraînements sur le DSC ou sur l’ACd n’a jamais été étudiée. La présente étude a caractérisé l’hémodynamie cérébrale de repos ainsi que l’ACd en réponse à des oscillations forcées de la pression sanguine induites par des manoeuvres de squats répétés, suite à 6 semaines de HIIT chez des hommes entraînés en endurance. Nous avons aussi examiné si les changements potentiels seraient dépendants de l’intensité de l’entraînement. Nos résultats indiquent qu’indépendamment de l’intensité, le DSC de repos demeure inchangé suite à l’entraînement malgré une amélioration significative de la FCR. De plus, les vaisseaux cérébraux d’hommes entraînés en endurance maintiennent leur capacité à tamponner les oscillations lentes et abruptes de la pression artérielle forcées à 0,05 Hz. Par contre, lorsque les oscillations sont forcées à un rythme plus rapide, 0,10 Hz, la phase est diminuée tel qu’estimé par l’analyse de la fonction de transfert. Ces résultats suggèrent que 6 semaines de HIIT sont bénéfiques pour la FCR mais détériorent l’ACd d’hommes entraînés en endurance. / Recent cross-sectional evidence revealed that an elevated cardiorespiratory fitness (CRF) is associated with an impaired dynamic cerebral autoregulation (dCA); ability of the cerebrovasculature to alter its resistance in response to abrupt and rapid changes in blood pressure to maintain cerebral blood flow (CBF). Very few studies have attempted to assess longitudinally how resting CBF and dCA react to training. The ones that did, observed that sedentary young and elderly or clinical populations had beneficial effects of training on cardiorespiratory and cerebrovascular health. The extend at which improving CRF in already cardiofit individuals remains unknown. When seeking CRF improvement, they often resort to high-intensity interval training (HIIT) either submaximal or supramaximal. The literature related to the influence of intensity training per se on the cerebral hemodynamics is limited. The present study characterized CBF at rest and dCA using forced oscillations of blood pressure induced by the repeated squat-stand maneuver following 6 weeks of HIIT in endurance-trained men. We also examined if the potential changes would be intensity-dependant. Our results indicate that independently of intensity, CBF at rest remained unchanged following training even in the face of a significantly improved CRF. Furthermore, the cerebrovasculature of endurance-trained men retained the ability to counteract slow and abrupt changes during forced oscillations of BP at 0.05 Hz. However, when the forced oscillations are more rapid, at 0.10 Hz, there is a decrease in phase shift as estimated by transfer function analysis. Taken together, HIIT training over a period of 6 week is beneficial for CRF but deteriorates dCA of endurance-trained me.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le vieillissement cérébral entraine certaines modifications physiologiques. Lorsque ces changements neurodégénératifs surpassent ou diffèrent de ceux attendus pour l'âge, ils sont souvent accompagnés de manifestations cliniques. On parle alors d'étiologies comme la maladie d'Alzheimer (MA) et la démence vasculaire, causes les plus communes de troubles cognitifs associés au vieillissement, et dont la prévalence augmente avec le vieillissement de la population. Le seuil pathologique entrainant ces maladies est toutefois incertain. Il s'avère donc essentiel d'identifier des biomarqueurs capables de détecter précocement les individus à risque de les développer. De par sa précision, son absence de radiations, et sa disponibilité, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une modalité de choix pour répondre à ce besoin. L'objectif général de cette thèse est de procéder à la caractérisation radio-histologique du vieillissement cérébral normal et pathologique afin d'en identifier les premiers signes grâce à l'IRM cérébrale in vivo. Ce travail doctoral s'articule autour de deux objectifs plus spécifiques. Le premier est dédié à l'identification de la pathologie associée à la MA à partir de l'IRM cérébrale. Le Chapitre 1 vise d'abord à établir les trouvailles à l'IRM cérébrale pré-mortem et leur corrélat histologique post-mortem dans la MA et ses principales comorbidités. Le Chapitre 2 évalue la performance d'un modèle prédictif de la dégénérescence neurofibrillaire à partir des mesures volumétriques à l'IRM cérébrale. En second, on s'intéresse aux changements cérébrovasculaires qui jouent un rôle important dans le développement des démences, dont la MA. Le Chapitre 3 examine ainsi les lésions histologiques cérébrovasculaires chez les sujets adultes normaux afin de mieux caractériser les changements attendus en fonction de l'âge. Finalement, le Chapitre 4 s'attarde à l'étude des facteurs cliniques prédicteurs du stade pathologique de la maladie cérébrale des petits vaisseaux amyloïde et non-amyloïde, deux entités communes associées au vieillissement et au développement de troubles cognitifs. En sommes, cette thèse contribue à une meilleure définition radio-histologique des lésions cérébrales associées au vieillissement avec une attention particulière portée aux formes communes de démences. Une compréhension bonifiée des mécanismes physiopathologiques à l'origine des troubles cognitifs et une identification précoce des lésions caractéristiques grâce à l'imagerie cérébrale sont des étapes nécessaires à une prise en charge optimale et au développement de thérapies ciblées visant à atténuer le fardeau associé à ces maladies dévastatrices. / Brain aging is characterized by various physiological alterations. When these neurodegenerative changes exceed or differ from those normally expected for age, they are often accompanied by clinical manifestations. One talks then of conditions such as Alzheimer's disease (AD) and vascular dementia, the two most common aetiologies of age-related cognitive impairment, and whose prevalence increases as the population ages. However, the pathological threshold for developing these diseases remains uncertain. It is therefore essential to identify biomarkers capable of detecting individuals at risk of developing cognitive disorders early in the disease process. Magnetic resonance imaging (MRI), because of its accuracy, safety and relatively wide availability, seems to be an ideal modality to meet this need. Thus, the main objective of this thesis is to provide radio-histological characterization of normal and pathological brain aging in order to identify signs of decline using in vivo brain MRI. This doctoral work is articulated around two more specific objectives. The first one is dedicated to the identification of AD-related pathology from brain MRI. The article in Chapter 1 aims to establish pre-mortem brain MRI findings and their post-mortem histological correlates in AD and related comorbidities. The second article in Chapter 2 evaluates the performance of a predictive model for neurofibrillary degeneration based on brain MRI metrics. The second part of this thesis focuses on cerebrovascular changes that play an important role in the development of dementias, including AD. The third paper in Chapter 3 therefore examines cerebrovascular histological lesions in normal adults in order to better characterize the expected age-dependent changes. Finally, the fourth article in Chapter 4 examines clinical predictors of pathological amyloid and non-amyloid cerebral small vessel disease, two common entities associated with aging and cognitive decline. Altogether, the results from this thesis contribute to a better radio-histological definition of brain lesions associated with aging in pathological and non-pathological states, with a particular focus on the common forms of dementia, i.e. AD and vascular dementia. A better understanding of pathophysiological mechanisms underlying cognitive disorders and early identification of characteristic lesions are mandatory to warrant optimal management and development of targeted therapies with the ultimate goal to reduce the global burden associated with these devastating diseases.