L’instabilité de la ventilation est un phénomène connu chez l’homme. Elle était jusqu’à présent observée chez l’homme sain en altitude et chez les patients souffrant d’insuffisance cardiaque (IC) et de syndrome d’apnées du sommeil (SAS), d’origine centrale, obstructive ou mixte, le plus souvent pendant le sommeil. Une analyse spectrale rétrospective de tests d’effort en hypoxie a mis à jour une instabilité ventilatoire lorsque le système de contrôle de la ventilation est soumis à une double contrainte, physiologique (exercice modéré) et environnemental (hypoxie simulant une altitude de 2000 à 4800 m d’altitude). Des protocoles prospectifs ont corrélé positivement l’amplitude de ces oscillations de la ventilation au débit cardiaque (Q̇c) et au niveau de ventilation (V̇E), tandis que la période est raccourcie lorsque V̇E et Q̇c augmentent. À l’opposé d’une période des apnées d’environ 1 minute chez les patients IC et SAS, nos observations ont permis de mesurer la période des oscillations ventilatoires à l’exercice et en hypoxie entre 11 et 12 secondes. Les sujets montrant une plus forte réponse ventilatoire à l’hypoxie et une sensibilité plus élevée au CO₂ exhibent une plus grande instabilité ventilatoire. L’hyperoxie et l’hypercapnie ont des effets opposés : alors que l’inhalation d’O₂ ne modifie pas la stabilité du système (vs normoxie), l’hypercapnie hyperoxique exacerbe le phénomène oscillatoire. Un traitement pharmacologique par acétazolamide (ACZ) améliore la stabilité ventilatoire, appuyant ainsi, en regard des données précédentes, le rôle central des chémorécepteurs périphériques dans la survenue des oscillations de la ventilation. Un modèle mathématique du contrôle de la ventilation intégrant, parmi de nombreux paramètres cardiorespiratoires, les sensibilités à l’O₂ et au CO₂, et les interactions périphérique-central, confirme l’implication du niveau d’hypoxie et du délai de convection sanguine entre les poumons et les chémorécepteurs périphériques dans la période des oscillations. Il souligne également le rôle potentiel de l’espace mort dans la survenue de l’instabilité respiratoire. / Breathing instability is a well-known phenomenon in human. Until now, it was observed in healthy subjects at altitude et in patients suffering from chronic heart failure (CHF) or sleep apnea syndrome (SAS), central, obstructive or mixed, mostly during sleep. A retrospective spectral analysis of standard hypoxic exercise test evidenced a ventilatory instability when the control system is submitted to a double stress, physiological (moderate exercise) and environmental (hypoxia, from 2000 to 4800m simulated altitudes). Prospective analyses positively correlated magnitude of the ventilatory oscillations to cardiac output (Q̇c) and ventilation (V̇E), whereas their period is shortened with increasing V̇E and Q̇c. Unlike the one-minute period apneas in CHF and SAS patients, we observed a much shorter period at exercise in hypoxia, between 11 and 12 seconds. Subjects with a higher ventilatory response to hypoxia and a greater sensitivity to CO₂ showed a deeper breathing instability. Hyperoxia and hypercapnia have opposite effects : O₂ inhalation does not alter the system stability, hypercapnia enhances the oscillatory phenomenon. A pharmacological treatment by acetazolamide (ACZ) improves breathing stability, supporting a major role of peripheral chemoreceptors in the genesis of ventilatory oscillations. A mathematical model of ventilation control including, among numerous cardiorespiratory parameters, sensibilities to O₂ and CO₂, peripheral-central interactions, confirms the contribution of hypoxia level and the delay of blood convection between lungs and peripheral chemoreceptors in the oscillations period. It also highlights a potential role of dead space in the onset of breathing instability.

La commande de la ventilation chez l'humain est capable d'adaptation persistante qui repose sur des mécanismes de type LTP. Différentes techniques permettant l'induction de plasticité sont couramment utilisées mais leur application au contrôle ventilatoire n'a fait l'objet que de très peu de travaux.L'objectif de cette thèse est (1) examiner la possibilité d'induire des mécanismes de type LTP par la rTMS et la tsDCS en deux sites de la commande ventilatoire destinée au diaphragme, l'AMS et les métamères C3-C5 ; (2) évaluer les conséquences sur le profil ventilatoire en ventilation de repos et lorsque la ventilation est artificiellement contrainte. Nous avons examiné les effets d'un conditionnement inhibiteur appliqué par rTMS en regard de l'AMS sur l'excitabilité corticophrénique. Nous avons observé la présence d'une diminution persistante de cette excitabilité et en avons tiré la proposition qu'en ventilation de repos l'AMS augmente l'excitabilité de la commande ventilatoire à l'éveil. Nous avons alors considéré les conséquences de la rTMS sur la ventilation expérimentalement contrainte. Les modifications du profil ventilatoire induites par la rTMS sont en faveur d'une participation de l'AMS à la production ou au traitement de la copie d'efférence. Dans une 3ème étude, nous avons examiné les effets de la tsDCS au niveau C3-C5 sur l'excitabilité corticophrénique et sur le profil ventilatoire. L'augmentation de cette excitabilité et du volume courant nous a conduit à suggérer la possibilité d'induire une plasticité respiratoire au niveau spinal.L'ensemble de ces résultats nous permet d'envisager des perspectives thérapeutiques à l'utilisation de la rTMS et de la tsDCS. / A salient feature of the ventilatory control system is its ability to persistently adapt its behaviour. This stems from long-term plasticity mechanisms similar to those described for the neural control in general. Plasticity can be induced by various non-invasive stimulation techniques(e.g. rTMS, TDCS, tsDCS) that are commonly used but have not be systematically applied to ventilatory plasticity. The aim of this thesis is twofold: (1) to examine the possibility of inducing LTP by rTMS and tsDCS at two sites of the ventilatory control system, namely the SMA and the phrenic motoneurons: (2) to evaluate the impact of such plasticity on breathing pattern during spontaneous ventilation and inspiratory threshold loading. We examined the effects of an inhibitory rTMS paradigm applied to the SMA on corticophrenic excitability. We observed a persistent decrease in corticophrenic excitability and therefore proposed that the SMA participates in the increased resting state of the ventilatory motor system during wake. Then we considered the consequences of rTMS on breathing pattern during ITL. The corresponding modifications support a contribution of the SMA to the production or processing of an ventilatory efference copy. In a third study, we examined the effects of a tsDCS delivered to C3-C5 on the corticophrenic excitability and on the respiratory pattern. Increased corticophrenic excitability and tidal volume were observed. This suggests that respiratory plasticity takes place at the spinal level. Taken together, these results open the perspective of harnessing respiratory plasticity as a therapeutic tool in disorders altering the ventilatory command.

La commande de la ventilation chez l'humain est capable d'adaptation persistante qui repose sur des mécanismes de type LTP. Différentes techniques permettant l'induction de plasticité sont couramment utilisées mais leur application au contrôle ventilatoire n'a fait l'objet que de très peu de travaux.L'objectif de cette thèse est (1) examiner la possibilité d'induire des mécanismes de type LTP par la rTMS et la tsDCS en deux sites de la commande ventilatoire destinée au diaphragme, l'AMS et les métamères C3-C5 ; (2) évaluer les conséquences sur le profil ventilatoire en ventilation de repos et lorsque la ventilation est artificiellement contrainte. Nous avons examiné les effets d'un conditionnement inhibiteur appliqué par rTMS en regard de l'AMS sur l'excitabilité corticophrénique. Nous avons observé la présence d'une diminution persistante de cette excitabilité et en avons tiré la proposition qu'en ventilation de repos l'AMS augmente l'excitabilité de la commande ventilatoire à l'éveil. Nous avons alors considéré les conséquences de la rTMS sur la ventilation expérimentalement contrainte. Les modifications du profil ventilatoire induites par la rTMS sont en faveur d'une participation de l'AMS à la production ou au traitement de la copie d'efférence. Dans une 3ème étude, nous avons examiné les effets de la tsDCS au niveau C3-C5 sur l'excitabilité corticophrénique et sur le profil ventilatoire. L'augmentation de cette excitabilité et du volume courant nous a conduit à suggérer la possibilité d'induire une plasticité respiratoire au niveau spinal.L'ensemble de ces résultats nous permet d'envisager des perspectives thérapeutiques à l'utilisation de la rTMS et de la tsDCS.