Ce document présente une synthèse des travaux réalisés depuis une dizaine d'années au sein de l'University of California, San Francisco (UCSF) puis au Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection (LSIIT) et au laboratoire ICube à Strasbourg. Ces activités se situent au confluent de l'informatique, des mathématiques appliqués et des neurosciences. Ce domaine de recherche, appelé neuro-informatique, concerne la conception et la réalisation de méthodes d'analyse, la constitution de base de données et des outils associés dont l'objectif est la compréhension du cerveau. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur le traitement et l'analyse de données IRM cérébrales, conduisant à aborder différentes problématiques telles que la reconstruction d'images, l'extraction d'information, la mise en correspondance ou la détection de changements. Les activités de recherche en neuro-informatique soulignent l'apport essentiel des méthodes de traitement de l'information afin de comprendre au travers de grandes masses de données le fonctionnement de systèmes complexes tels que le cerveau.

Un des aspects les plus marquants de l'évolution des grands singes est l'augmentation relative du volume du cerveau, et en particulier du néocortex, qui culmine chez Homo sapiens. La microcéphalie primaire est une anomalie congénitale du développement cérébral humain caractérisée par un cerveau normalement formé mais de petit volume. Il en existe une forme isolée, non syndromique, dont la majorité des cas sont d'origine génétique et transmis sur le mode autosomique récessif (MCPH), qui constituent donc un modèle génétiquement simple qui résulte de l'altération d'un seul gène, essentiel dans le développement volumique du cerveau. Une consanguinité parentale est présente dans la majorité des cas, ce qui permet une approche puissante de localisation génomique de la mutation responsable, nommée cartographie d'homozygotie. A ce jour, huit gènes causant cette anomalie ont déjà été identifiés :BRIT1 (MCPH1), ASPM (MCPH5), CDK5RAP2 (MCPH3) et CENPJ (MCPH6), et plus récemment, STIL (MCPH7), CEP152 (MCPH9), WDR62 (MCPH2) et CEP135 (MCPH8). Tous ces gènes jouent un rôle au niveau du cycle cellulaire. Nous avons tenté, au cours de ce doctorat, d’identifier et de caractériser un nouveau gène du locus MCPH4 cartographié au laboratoire et situé sur le bras long du chromosome 15. <p>Dans trois familles MCPH4 originaires de villages voisins du Maroc rural, nous avons affiné la zone de liaison à un segment de 3,7cM, contenant un haplotype commun sur une longueur de 2,7cM suggérant un déséquilibre de liaison autour d’une mutation ancestrale. Le LOD score combiné dans les trois familles était supérieur à 6. Parmi les gènes contenus dans cette région, nous avons sélectionné des candidats que nous avons ensuite analysés par séquençage direct de l’ADN de nos patients. Parmi ces gènes, CASC5 présentait un variant, homozygote chez nos patients, hétérozygote chez leurs parents sains et absent chez 150 contrôles non apparentés. Nous avons utilisé la technologie 454 de séquençage à haut débit de Roche pour séquencer les gènes de l’intervalle de 2.7Mb en une fois. Parmi les mutations identifiées, nous n’avons trouvé qu’une seule variation exonique inconnue qui correspondait à la variation faux-sens déjà identifiée dans le gène CASC5. CASC5 est une protéine centromérique requise pour l’alignement des chromosomes à la métaphase et pour le point de contrôle métaphasique de la progression mitotique. Il était donc potentiellement un très bon candidat causal de la microcéphalie primaire. CASC5 lie directement MIS12, BUB1, BUBR1 et Zwint-1, et fait partie du réseau KMN du kinétochore. Il est nécessaire à l’ancrage des centromères chromosomiques au fuseau mitotique, et est requis pour le contrôle du cycle cellulaire au niveau du Spindle-Assembly Checkpoint.<p>Nous avons ensuite confirmé que la mutation génère un défaut d’épissage chez nos patients consistant en la perte partielle de l’exon 18 dans l’ARNm. La perte de cet exon conduit à un déphasage du cadre de lecture provoquant l’apparition d’un codon STOP prématuré dans l’exon 19. Ceci prédit donc la formation d’une protéine tronquée, ou absente après dégradation par le mécanisme cellulaire de dégradation des ARNm non-sens. Par Western-Blotting nous avons pu révéler, en lignée lymphoblastoïdes, la protéine CASC5 endogène chez tous nos patients, y compris, à notre surprise, chez les sujets atteints. <p>Il est décrit dans la littérature qu’un knockdown de CASC5 provoque un mauvais alignement des chromosomes, une entrée prématurée en mitose et la formation de micronoyaux, conséquence d’un mauvais alignement des chromosomes pendant la métaphase. Les différentes études menées sur le phénotype cellulaire de nos patients en lignées lymphoblastoïdes n’ont pu révéler ces défauts. Notre hypothèse est que l’allèle muté est hypomorphe et que le phénotype cellulaire décrit en boites de culture ne s’observerait in vivo que dans certaines cellules du cerveau en cours de développement.<p>En parallèle de ces travaux, nous avons également contribué à l’identification de la cause d’une microcéphalie primaire syndromique, associée à un diabète insulino-requérant précoce, tansmis sur le mode récessif autosomique et identifié dans une famille d’origine marocaine. Notre laboratoire avait localisé la mutation dans une région de 3 cM du chromosome 4. Parmi les 39 gènes compris dans cette région, nous en avons sélectionné et séquencé plusieurs. Aucun n’a cependant montré de mutation. Un séquençage de l'exome complet de l’un de nos patients, a permis de mettre en évidence une mutation non-sens homozygote dans un gène de l’intervalle critique de liaison. La mutation ségrège avec le phénotype autosomique récessif chez les malades, leurs parents et leurs germains asymptomatiques. L’abondance du transcrit de ce gène a été mesurée en lignées lymphoblastoïdes de patients :il est présent en quantité similaire chez les patients et chez un contrôle non apparenté. <p>En conclusion, notre travail a permis l’identification d’un nouveau gène muté chez des patients atteints de microcéphalie primaire, CASC5, avec un haut degré de preuve de causalité de cette mutation, impliquant ainsi une protéine du réseau KMN du kinétochore dans le développement volumique du cerveau humain. Nous avons par ailleurs contribué à l’identification d’un nouveau gène causant microcéphalie primaire et diabète juvénile, dont le mécanisme biologique est en cours d’investigation.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

INTRODUCTION : Le retard de croissance intra-utérin (RCIU), la prééclampsie (PE) et l’accouchement prématuré (AP) sont d’importantes pathologies de la grossesse fortement associées à un mauvais fonctionnement du placenta, organe central au développement du fœtus. Environ 5-12% de toutes les grossesses sont pathologiques et ces dernières sont associées avec un risque accru de désordres neurodéveloppementaux chez l’enfant. L'inflammation est un point central à toutes les complications de la grossesse et le lien causal entre l’inflammation et ces pathologies a été démontré à l’aide de plusieurs modèles animaux d’inflammation prénatale, menant à des dommages cérébraux chez les nouveau-nés. Cependant, la majorité des modèles utilisent des stimuli infectieux, bien que des pathogènes soient rarement détectés en clinique. Malgré l'absence d'infection détectable, des évidences d'inflammation, telles que des niveaux élevés de cytokines pro-inflammatoires et d’alarmines, sont présentes. Les alarmines sont des médiateurs endogènes et une autre cause d'inflammation de plus en plus associée aux pathologies de la grossesse. L’acide urique est une des alarmines les plus étudiées comme médiateur endogène d’inflammation, mais son effet sur la grossesse est peu connu. Ainsi, mon hypothèse était que l’exposition prénatale particulièrement à l’acide urique serait associée aux complications de la grossesse, serait une cause de dommage placentaire et subséquemment altèrerait le neurodéveloppement fœtal, menant à des dommages cérébraux à long terme chez l’enfant. Mon OBJECTIF général était de comprendre le lien entre inflammation prénatale non-pathogénique, les complications de la grossesse et les effets sur le placenta et le cerveau en développement. Spécifiquement, j’ai déterminé la présence d’inflammation dans les complications majeures de la grossesse puis je me suis concentré sur la PE et l’implication de l’activation immunitaire dans cette pathologie. En parallèle, j’ai établi le lien entre l’inflammation non-pathogénique, les dommages placentaires et le RCIU. Finalement, j’ai évalué le neurodéveloppement après l’exposition in-utero à une inflammation non-pathogénique et j’ai investigué le potentiel d’un nouveau traitement dans mon modèle préclinique. MÉTHODOLOGIES ET RÉSULTATS: J’ai analysé le profil inflammatoire de 200 femmes avec ou sans complications de la grossesse (Ctrl, PE, AP, RCIU) et j’ai démontré que chaque complication présente un profil inflammatoire circulant distinct, particulièrement présent chez les femmes avec PE. De plus, j’ai analysé plus en profondeur les femmes avec PE et observé une augmentation d’acide urique dans la circulation maternelle, en lien avec un profil immunitaire qui était altéré et des changements structuraux au niveau du placenta. Pour déterminer les effets directs de l'acide urique, nous avons utilisé des cultures de trophoblastes primaires, cellule principale du placenta, et des explants placentaires humains. Nous avons démontré que l’acide urique induisait un profil pro-inflammatoire augmentant particulièrement la sécrétion d’IL-1β et d’IL-6 et induisait aussi l'apoptose des trophoblastes. En parallèle, j’ai développé un nouveau modèle préclinique de rates gestantes qui ont été injectées par voie intrapéritonéale avec l’acide urique du temps de gestation 18 (G18) à G21. L’injection d'acide urique in vivo à la fin de la gestation chez le rat a entrainé l’augmentation de cytokines (IL-1β, TNF-α et IL-6) et l’infiltration de cellules immunitaires dans le placenta ainsi qu’un RCIU chez le fœtus qui persistait dans la période postnatale. De plus, les bébés exposés in-utero à l’acide urique avaient une altération neurodéveloppementale caractérisée par l’activation microgliale et astrogliale en plus d’une diminution des capacités motrices. Ces effets de l’acide urique étaient dépendants de l'IL-1β et bloqués par l’antagoniste spécifique du récepteur de l’IL-1 (IL-1Ra). CONCLUSIONS: L’inflammation est associée à toutes les complications de la grossesse, mais les profils diffèrent selon la pathologie étudiée. La PE est associée à des changements immunitaires importants. L'acide urique à l'interface materno-fœtale induit inflammation et altère les fonctions placentaires de façon IL-1-dépendante. Finalement, l’exposition à l’acide urique en fin de gestation chez le rat induit l’inflammation placentaire, le RCIU et altère le développement cérébral des bébés. Un traitement prénatal anti-inflammatoire permet de minimiser l’inflammation et ses effets négatifs sur le cerveau. / INTRODUCTION: Intra-uterine growth restriction (IUGR), preeclampsia (PE) and preterm birth (PTB) are important pathologies of pregnancy strongly associated with poor placental function, a central organ for fetal development. About 5-12% of all pregnancies are pathological and this increases the risk of neurodevelopmental disorders. Inflammation is central to all pregnancy complications and the causal link has been demonstrated with several animal models of prenatal inflammation leading to brain damage in newborns. However, these models use infectious stimuli although pathogens are rarely detected clinically. Despite the absence of detectable infection, evidence of inflammation, such as elevated levels of pro-inflammatory cytokines and alarmins, is observed. Alarmins are endogenous mediators, another cause of inflammation increasingly associated with pathological pregnancies. Uric acid is one of the most studied alarmins, however its effect on pregnancy is mostly unknown. Thus, my hypothesis was that prenatal exposure particularly to uric acid is associated with pregnancy complications and is a cause of placental damage which subsequently impairs fetal neurodevelopment, leading to long-term brain damage in the child. My general OBJECTIVE was to understand the link between non-pathogenic prenatal inflammation, pregnancy complications and its effect on the placenta and the developing brain. Specifically, I detected the presence of inflammation in major pregnancy complications and subsequently focused on PE and its immune activation. In parallel, I established the causal link between non-infectious inflammation, placental damage and IUGR. Finally, I evaluated brain development following in utero inflammation and investigated a therapeutic target in my preclinical model. METHODS AND RESULTS: I analyzed the inflammatory profile of 200 women with or without pregnancy complications (Ctrl, IUGR, PE, PTB) and demonstrated that each complication has a distinct circulating inflammatory profile, particularly in women with PE. In addition, I further analyzed women with PE and observed a uric acid increase in the maternal circulation, related to an altered immune profile and structural changes in the placenta. To determine the direct effects of uric acid, we used cultures of primary trophoblasts, the main cell of the placenta, and human placental explants. We have shown that uric acid induces a pro-inflammatory profile, particularly increasing the secretion of IL-1β and IL-6 and induces apoptosis of trophoblasts. In parallel, I developed a new preclinical model of pregnant rats that were injected intraperitoneally with uric acid from gestation time 18 (G18) to G21. The injection of uric acid at the end of gestation in the rat caused increase cytokines (IL-1β, TNF-α and IL-6), the infiltration of immune cells in the placenta as well as an IUGR in the fetus that persisted into the postnatal period. Additionally, babies exposed to uric acid in utero have neurodevelopmental impairment characterized by microglial and astroglial activation in addition to decreased motor function. These effects of uric acid was dependent on IL-1β and was blocked by the IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra). CONCLUSIONS: Inflammation is associated with all pregnancy complications, however, with different profiles depending on the pathology studied. PE is associated with significant immune changes. Uric acid at the maternal-fetal interface induced inflammation and altered placental functions in an IL-1-dependent manner. Ultimately, exposure to uric acid in late rat pregnancy induced placental inflammation, IUGR, and impaired brain development. Prenatal anti-inflammatory treatment helped minimize inflammation and these negative effects on the brain.

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L’intimidation à l’école est un facteur de stress associé à de multiples manifestations psychiatriques. À ce jour, la recherche se limite à des études majoritairement transversales, or pour développer des stratégies d’intervention efficaces, il est nécessaire d’adopter une approche temporelle des liens. Cette étude invite à répondre à ce besoin en ayant pour objectif (1) d’étudier la direction des associations entre l’intimidation et les symptômes internalisés et externalisés, (2) d’examiner la spécificité des associations au travers des profils de personnalité comme modérateurs de la relation entre l’intimidation et les symptômes internalisés et externalisés, (3) d’explorer le rôle médiateur des symptômes internalisés et externalisés entre l’intimidation et la consommation d’alcool, (4) d’identifier les corrélats neuronaux qui sous-tendent les liens entre l’intimidation et les symptômes internalisés et externalisés à l’adolescence. Les données de deux cohortes longitudinales ont été utilisées. Co-Venture comprend 3800 adolescents âgés de 12 ans et suivis annuellement pendant cinq ans. Neuro-Venture correspond à un sous-échantillon de Co-Venture, soit 151 adolescents âgés de 12 ans et suivis à 12-14, 15 et 17 ans. Des random-intercepts cross-lagged panel model et des modèles multiniveaux ont été choisis afin d’estimer les effets cross-lagged (influences réciproques entre deux variables), les effets between-person (effet général, sur les cinq ans), les effets within-person (influences à court terme, au cours d’une année), les effets lagged-within-person (influences persistantes, d’une année à l’autre). Il existe des influences bidirectionnelles entre l’intimidation et les symptômes internalisés et une influence unidirectionnelle de l’intimidation vers les symptômes externalisés (étude 1). Être sensible à l’anxiété et avoir des pensées négatives augmentent le risque des adolescents intimidés à développer des symptômes internalisés dans la même année. Être impulsif et rechercher des sensations fortes augmentent le risque de développer des symptômes externalisés dans la même année (étude 2). Des voies médiatriques sont identifiées, de l’intimidation vers la consommation d’alcool par les symptômes internalisés et externalisés, ces voies sont renforcées avec les profils de personnalité (étude 3). Plus les adolescents sont intimidés plus ils ont tendance à avoir de grands volumes cérébraux (i.e., gyrus orbitofrontal supérieur droit, gyrus orbitofrontal moyen gauche, thalamus droit) et des petits (i.e., gyrus parahippocampique droit, putamen bilatéral, amygdale 6 bilatérale). Une augmentation des niveaux d’intimidation au cours d’une année est suivie par une plus forte diminution de volume du thalamus droit et d’une moins forte augmentation de volume de l’amygdale bilatérale dans la même année. Une augmentation des niveaux d’intimidation au cours d’une année est suivie d’une augmentation des symptômes externalisés à travers une moins forte augmentation du volume de l’amygdale droite dans la même année (étude 4). Les découvertes suggèrent que l’intimidation joue un rôle majeur dans l’émergence de nouveaux symptômes psychiatriques par le biais potentiel d’un développement cérébral atypique. Les différences individuelles (i.e., profils de personnalité) et les deux voies médiatrices symptomatiques suggèrent une complexité des liens, révélée par l’approche temporelle de l’étude. Les associations observées sont majoritairement à court terme, soulignant l’importance d’une prise en charge précoce de l’intimidation afin d’éviter ses multiples répercussions négatives. / Bullying victimization is a salient stressor that is associated with a broad variety of psychopathology. The lack of prospective studies has made it difficult to disentangle the temporal precedence of these associations. The present study aimed to (1) examine reciprocal cross-lagged associations between bullying victimization, internalizing, and externalizing symptoms, (2) study the specificity of effects through personality profiles as moderators in the association between bullying victimization, internalizing, and externalizing symptoms, (3) explore mediation effects between bullying victimization and alcool use through internalizing and externalizing symptoms, and (4) identify neural correlates underlying the association between bullying victimization, internalizing, and externalizing symptoms during adolescence. Data from a 5-year longitudinal cohort study (Co-Venture) of a population-based sample (n = 3800, 49.2% female, mean age = 12.8, SD = 0.4 years), and neuroimaging data from a sub-sample of 151 participants (54.3% female, mean age = 13.6, SD = 0.6 years, 3 neuroimaging sessions) were analyzed. Random intercepts cross-lagged panel models (objective 1) and multilevel models (objectives 2, 3, 4) were conducted to estimate cross-lagged effects (reciprocal influences between variables), between-person effects (overall effects, over a 5-year period), within-person effects (concurrent effects, within a year), and lagged-within-person effects (lasting effects, past year). Results provided evidence for bidirectional effects between bullying victimization and internalizing symptoms, and unidirectional effects from bullying victimization to externalizing symptoms (study 1). Anxiety sensitivity and hopelessness increased common vulnerability and concurrent effect of bullying victimization on internalizing symptoms. Impulsivity and sensation seeking increased common vulnerability and concurrent effect of bullying victimization on externalizing symptoms (study 2). There was significant between and within effects on alcohol use through internalizing symptoms for adolescents with high anxiety sensitivity and hopelessness, and significant between, within, and lagged effects on alcohol use through externalizing for adolescents with high impulsivity and sensation seeking (study 3). Adolescents prone to higher bullying victimization were prone to higher volumes in the right superior orbitofrontal gyrus, left middle orbitofrontal gyrus, and right thalamus, and, to lower volumes in the right para-hippocampal gyrus, bilateral putamen, and bilateral amygdala over the 5-year period. An increase in bullying 8 victimization in a given year is followed by a steeper decrease in the right thalamus volume, and a smaller volumetric increase in the bilateral amygdala during that same year. An increase in bullying victimization in a given year was associated with increased externalizing symptoms through a smaller volumetric increase in the right amygdala, during that year (study 4). Findings suggest that bullying victimization confers additional risk for psychopathological outcomes, and implicate two risk pathways that account for how bullying victimization enhances alcohol use risk and emphasize the importance of personality profiles that can shape the immediate and long-term consequences of victimization. Findings also suggest that bullying victimization plays a role in shaping brain development, but when victimization experiences can be addressed and stopped, such changes appears to be short-lived, and have immediate repercussion on mental health. Current interventions should broaden their scope to simultaneously target bullying victimization and psychopathology as each of these manifestations co-occurent within a year.