L'obésité est associée à un risque de fragilité musculo-squelettique, en particulier d’arthrose (OA). Notre but est d’explorer leurs contributions des conditions métaboliques et du surpoids. L’obésité MM (mécanique et métabolique) est obtenue par un régime alimentaire. L’obésité M (mécanique) est mimée par hypergravité à 2g. L’OA est induite par acte chirurgicale. Nous avons exploré les effets des obésités MM et M sur le système musculo-squelettique de souris non OA. Les MM ont un os trabéculaire préservé, un os cortical détérioré et des muscles fragilisés. Chez les M, l’os est préservé et les muscles sont renforcés. Les troubles métaboliques sont responsables de la fragilisation de l’os cortical et du muscle. Dans une 2ème partie, les conséquences de l’OA sont évaluées chez des souris non obèses, MM ou M. L’OA chez les non obèses fragilise uniquement l’os trabéculaire. L’OA chez les MM accentue la diminution de l’épaisseur corticale. L’OA chez les souris M fragilise encore plus l’os cortical et le muscle que chez les souris MM. Cependant si on ne considère que les souris OA, la composante MM est toujours plus délétère que la composante M. Finalement, nous avons testé les vibrations corps entiers pendant les 4 dernières semaines comme traitement potentiel des détériorations musculo-squelettiques des MM couplée ou non à l’OA. Les vibrations n’impactent pas l’obésité et l’OA. Un effet musculaire est observé au niveau moléculaire, ces diminutions étant plus importantes chez les OA. Aucun changement de masse musculaire n’est observé. Le tissu osseux n’est pas influencé. / Obesity is associated with a risk of musculoskeletal fragility, especially osteoarthritis (OA). Our goal is to explore their contributions of metabolic and overweight conditions. MM obesity (mechanical and metabolic) is obtained through a diet. Obesity M (mechanical) is mimed by hypergravity at 2g. OA is induced by surgery. We explored the effects of MM and M obesity on the non-OA mouse musculoskeletal system. MMs have preserved trabecular bone, deteriorated cortical bone and weakened muscles. In M, bone is preserved and muscles are strengthened. Metabolic disorders are responsible for the weakening of cortical bone and muscle. In a second part, the consequences of OA are evaluated in non-obese mice, MM or M. OA in non-obese only weakens the trabecular bone. OA in MM accentuates the decrease in cortical thickness. OA in M mice further weakens cortical bone and muscle than in MM mice. However, if we consider only the OA mice, the MM component is always more deleterious than the M component. Finally, we tested entire body vibrations during the last 4 weeks as a potential treatment for musculoskeletal deterioration of MM, whether or not coupled to OA. Vibrations do not affect obesity and OA. A muscular effect is observed at the molecular level, these decreases being greater in OA. No change in muscle mass is observed. The bone tissue is not influenced.

Les vols spatiaux affaiblissent le système immunitaire. Les objectifs de cette thèse étaient de déterminer, à l’aide de modèles terrestres, les conséquences d’une exposition à la micropesanteur simulée, l’hypergravité ou des stress chroniques ultra légers sur l’immunité humorale murine. Nous avons ainsi montré que la suspension anti-Orthostatique, qui mime certains effets de la micropesanteur, induit une diminution de 59% du nombre de lymphocytes B spléniques et une inversion du rapport entre lymphocytes B et T. L’affaiblissement de la lymphopoïèse B mis en évidence par la diminution du nombre de progéniteurs lymphoïdes et des cellules pré-B en est probablement la cause. De plus, la position anti-Orthostatique entraîne, en l’absence de stress, une diminution de la réponse in vitro des lymphocytes B au LPS, plus importante que celle des lymphocytes T à la ConA, comme en hypergravité. Afin de déterminer les mécanismes responsables de la diminution de la réponse des lymphocytes B chez les souris hypergravitaires, les transcrits de gènes impliqués dans la voie TLR-4, le récepteur du LPS, ont été quantifiés. L’expression de plusieurs gènes de la voie MyD88-Dépendante est augmentée après 21 jours d’hypergravité, mais aucune modification n’a été observée dans les lymphocytes B stimulés avec du LPS. Enfin, la contribution de stress chroniques ultra légers a été évaluée. Les proportions de lymphocytes spléniques ne sont pas affectées par ces stress. Par contre, le taux d’IgA sériques s’est révélé augmenté et une baisse des cytokines pro-Inflammatoires de type Th1 a été observée comme chez les astronautes. Ainsi, ces stress n’expliquent pas complètement l’impact négatif des vols spatiaux sur l’immunité humorale. Ces recherches sont importantes pour identifier la/les cause(s) de l’altération de l’immunité humorale en vol, afin de tester/développer des contremesures efficaces pour renforcer le système immunitaire des astronautes, mais également de personnes stressées ou âgées / Spaceflight weaken the immune system. The aims of this thesis were to determine the effects of exposure to simulated microgravity, hypergravity or chronic ultra-Mild stress on murine humoral immunity, using ground-Based models. We were able to show that the anti-Orthostatic suspension, that mimics some of the effects of microgravity, caused a 59% decrease of the number of splenic B cells and an inversion of the ratio between B and T lymphocytes. A decrease in B lymphopoiesis, as evidenced by the decrease of lymphoid progenitors and pre-B cells is likely the cause. Furthermore, we showed that the anti-Orthostatic position, in the absence of stress, leads to a decreased in vitro response of B cells to LPS, more important than the one of T cells to ConA, as did hypergravity exposure. To determine the mechanisms responsible of the decreased response of B cells from hypergravity mice, transcripts encoding genes involved in the TLR-4 signaling pathway, the LPS receptor on B cells, have been quantified. The expression of several genes of the MyD88-Dependent pathway was increased after 21 days of hypergravity, but no change was observed in B cells stimulated with LPS. Finally, the contribution of chronic ultra-Mild stresses was evaluated. The proportions of splenic lymphocytes were not affected by these stresses. However, the levels of serum IgA were increased and those of Th1 pro-Inflammatory cytokines were decreased, as in astronauts. Thus, these stresses do not fully explain the negative impact of spaceflight conditions on humoral immunity. These researches are important to identify the cause(s) of spaceflight-Associated impaired immunity in order to test/develop effective countermeasures to strengthen the immune system of astronauts, but also of stressed or elderly people

Le principal objectif de notre projet de recherche était l’étude approfondie des mécanismes fondamentaux qui sous-tendent l’adaptation de l’os à la contrainte mécanique liée à la gravité, en évaluant les effets de deux modèles d’hypergravité sur le squelette de jeune souris saines. Des expériences de même durée, portant sur des animaux de même souche et de même âge, nous ont permis d’établir des comparaisons entre les différents types d’adaptation du squelette à une hypergravité continue, générée par centrifugation, et une hypergravité intermittente, obtenue par vibrations du corps entier (WBV). Nous avons observé que la centrifugation réduit la résorption et augmente la formation dans l’os trabéculaire alors que les WBV ne découplent pas les activités de résorption et formation qui sont, l’une et l’autre, stimulées. La centrifugation induit une réorganisation de la microarchitecture trabéculaire au niveau du fémur et des vertèbres mais n’a pas d’effet sur les paramètres de masse osseuse corticale. En revanche, les WBV stimulent l’expansion de l’os cortical et augmente sa densité minérale osseuse. Les deux modèles d’hypergravité induisent une diminution de l’expression de la sclérostine (inhibitrice de la formation) et une augmentation de celle de DMP1 (responsable de la minéralisation) dans le cortex fémoral. De plus, les deux modèles augmentent le nombre de vaisseaux sanguins dans la diaphyse fémorale. Sur le plan technique, nous avons développé avec succès une méthode d’IHC quantitative qui nous a permis de détecter et de valider statistiquement de faibles variations, induites par nos expérimentations, dans l’expression de protéines ostéocytaires. Nous pensons que les résultats obtenus en IHC devraient faire l’objet d’une analyse quantitative systématique et fournissons, à cet effet, un outil adapté aux échantillons murins ou humains inclus en paraffine ou MMA / The main focus of the research project was to further study fundamental mechanisms underlying bone adaptation to gravity-induced mechanical loading and to assess effects of two different hypergravity models on skeleton of young healthy mice. Same duration of the experiments and the use of animals of the same type and age allowed us to make comparisons between different skeleton adaptations to continuous hypergravity generated by centrifugation and to intermittent one generated by WBV. We observed that centrifugation reduced resorption and increased formation in trabecular bone, whereas WBV did not uncoupled resorption and formation activities and stimulated both of them simultaneously. Centrifugation resulted in reorganized trabecular microarchitecture in femur and vertebra but had no effect on cortical bone mass-structural parameters. In contrast, WBV stimulated cortical bone geometrical expansion in 3-week experiment and increased cortical mineral density in 9 weeks. Both hypergravity models resulted in lower Sclerostin and higher DMP1 expressions in femoral cortex. Also, both models resulted in higher number of blood vessels in femoral metaphysis, however only centrifugation increased vessels volume. In relation to technical objects of the research project, we successfully developed a method of quantitative IHC, which allowed us to detect and verify statistically even modest alterations of osteocyte protein expressions in our experiments. We believe that IHC results should always be quantitatively analyzed and we provide a tool for both mice and human bone samples embedded in paraffin or MMA

Afin de mieux comprendre et de préciser les réponses cardio-respiratoires chez l'homme lors d'exercices physiques effectués à des niveaux de gravité (ag) différents, des expérimentations en hypergravité et des analyses de données obtenues en microgravité ont été réalisées.Ainsi nous avons pu identifier les variables influençant la cinétique des réponses cardio-pulmonaires en fonction d‘ag lors de la pratique d'exercices physiques, et proposer un modèle prédictif de la dépense énergétique en fonction d'ag. Il ressort de nos analyses que les effets de ag sur la consommation d'oxygène (VO2) sont déterminés par des changements de la puissance métabolique interne et non pas par des changements de la puissance mécanique ou de la VO2 de repos. Quant à la consommation maximale d'oxygène (VO2 max) estimée, celle-ci diminue de façon importante en fonction de l'augmentation d'ag. Selon nos estimations, la VO2 max serait atteinte au repos à une valeur d'ag de 4.5 G. Ceci indiquerait que l'être humain serait dans l'impossibilité d'effectuer le moindre travail sur les plus grandes planètes du système solaire, rendant ainsi leur colonisation impossible / In order to better understand and clarify the cardio-respiratory responses of humans to physical exercise at varying levels of gravity acceleration (ag) we have set up experiments in hypergravity and we have analyzed data obtained in microgravity. We have thus been able to identify the variables that influence the kinetics of cardio-pulmonary Reponses in function of ag during physical exercise and propose a model that predicts the amount of energy spent when ag varies. From our analysis, it appears that the effects of ag on oxygen consumption (VO2) depend on variations in internal metabolic power and not at all on changes in mechanical power nor on the rest oxygen consumption. We found out that the estimated maximal consumption (VO2 max) of oxygen goes down considerably when ag augments. According to our estimations, the VO2 max is likely to be reached at rest when ag is 4.5 G. T. This seems to indicate that a human would be unable to perform the slightest work on the largest planets of our solar system, thus making the colonization of these planets impossible

Afin de mieux comprendre et de préciser les réponses cardio-respiratoires chez l'homme lors d'exercices physiques effectués à des niveaux de gravité (ag) différents, des expérimentations en hypergravité et des analyses de données obtenues en microgravité ont été réalisées.Ainsi nous avons pu identifier les variables influençant la cinétique des réponses cardio-pulmonaires en fonction d'ag lors de la pratique d'exercices physiques, et proposer un modèle prédictif de la dépense énergétique en fonction d'ag. Il ressort de nos analyses que les effets de ag sur la consommation d'oxygène (VO2) sont déterminés par des changements de la puissance métabolique interne et non pas par des changements de la puissance mécanique ou de la VO2 de repos. Quant à la consommation maximale d'oxygène (VO2 max) estimée, celle-ci diminue de façon importante en fonction de l'augmentation d'ag. Selon nos estimations, la VO2 max serait atteinte au repos à une valeur d'ag de 4.5 G. Ceci indiquerait que l'être humain serait dans l'impossibilité d'effectuer le moindre travail sur les plus grandes planètes du système solaire, rendant ainsi leur colonisation impossible.

Le système nerveux autonome (SNA) contribue de façon importante aux régulations des fonctions cardiovasculaires. Pendant des décennies, les chercheurs ont essayé de comprendre comment la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) et le gain du baroréflexe cardiaque pouvaient être utilisés comme marqueurs significatifs du contrôle neurovégétatif cardiaque, et parfois de son altération. L'objectif général de cette thèse est de mieux comprendre le rôle du SNA dans la modulation et les adaptations des fonctions cardiaques et vasculaires. Le projet comprenait quatre études.Dans la première étude, nous avons analysé les effets de l'accélération gravitationnelle graduées sur la régulation neurovégétative de la fréquence cardiaque et de la vasomotricité artériolaire. Dans ces expositions expérimentales des variables cardiovasculaires et respiratoires ont été modifiées de façon spécifique. Nos résultats ne sont pas compatibles avec la mise en jeu d’une régulation sympathique au niveau cardiaque en situation d’hypergravité brève. Nous avons supposé que seule la branche sympathique du SNA était active durant une exposition à une accélération de gravité élevée. La réponse adaptative de la vasomotricité artérielle vasculaire est observée en condition de grande décharge des barorécepteurs. Notre deuxième travail eu pour objet l'effet de la dénervation pulmonaire sur la VFC, et a donc été conduit chez des patients ayant subi une greffe pulmonaire complète. Le greffon n'étant plus relié au SNA, il s'agit d'un excellent modèle expérimental pour l'étude de la régulation cardiovasculaire en l’absence de modulation de l'activité cardiaque par des afférences nerveuses pulmonaires parasympathiques et/ou sympathiques. Puisque la VFC dans les hautes fréquences est reconnue comme largement déterminée par le profil ventilatoire, on s’attend à ce que la composante à haute fréquence de la VFC soit absente chez les sujets transplantés bi-pulmonaires. Les résultats montrent que cette dénervation pulmonaire implique une forte réduction de la VFC totale et dans les deux bandes de fréquence étudiées, hautes et basses. Cela indique donc qu’une large contribution de la modulation nerveuse de la VFC répond aux afférences pulmonaires. La sensibilité du baroréflexe est réduite. Le rapport plus élevé entre les basses et les hautes fréquences traduit une réduction de puissance totale principalement due à la diminution de la composante haute fréquence. Ces résultats montrent que les afférences pulmonaires contribuent largement à la à la modulation neurovégétative de la composante à hautes fréquences de la VFC. La variabilité de la pression artérielle est beaucoup moins modifiée que celle de la VFC par la transplantation bipulmonaire, ce qui met en évidence que les afférences pulmonaires contribuent spécifiquement à la modulation de la VFC. Cette observation est un argument fort pour reconnaître des voies de régulation différentes pour les variabilités de fréquence cardiaque d’une part et de pression artérielle d’autre part. Le troisième article traite des effets sur la modulation cardiovasculaire de blocages pharmacologiques du SNA sur les régulations de fréquence cardiaque et de vasomotricité périphérique, au repos et pendant l'exercice. / Autonomic nervous system (ANS) and cardiovascular regulation are closely linked. For decades, researches have tried to understand how heart rate variability (HRV) and baroreflexes can be used as significant markers of the autonomic nervous control, and sometimes of its impairments. The general aim of this thesis is to gain further insights into the role of ANS in modulating cardiac and vascular functions. The project consisted of four studies.In the first study, we analysed the effects of gravitational acceleration on cardiovascular autonomic control. This special condition showed interesting results for cardiorespiratory variables. Our results did not agree with the notion of sympathetic up-regulation in hypergravity. We speculated that only the sympathetic branch of the ANS might have been active during elevated gravitational acceleration exposure. Furthermore, the vascular response occurred in a condition of massive baroreceptor unloading.Our second work targeted the effect of lung denervation on HRV in bilateral lung transplant recipients. As the graft is no longer connected to the ANS, this is an excellent experimental model for the study of cardiovascular regulation without modulation of heart activity by parasympathetic and/or sympathetic lung afferents. The hypothesis was that the modulation of the high frequency component of HRV by the breathing frequency is mediated by the ANS. This hypothesis would be supported by the results if the high frequency component of HRV is suppressed in bilateral lung transplant recipients. Lung denervation implied strong HRV reduction, all indices being decreased, indicating that neural modulation from lung afferents contributes largely to HRV. Baroreflex sensitivity was reduced. The higher low-versus-high frequency ratio implied that the total power drop was mostly due to the high frequency component, indicating that neural modulation from lung afferents largely contributes to the high frequency component of HRV. The changes in blood pressure variability were smaller than those in HRV, suggesting that the effects of lung denervation were specific to HRV modulation. This finding confirms that blood pressure variability and HRV are under different control mechanisms.The third article concerns the effects of autonomic blockades on cardiovascular modulation, at rest and during exercise. We hypothesized that HRV should decrease with vagal or sympathetic blockades, and disappear during simultaneous blockade of both ANS branches. The results suggest that the parasympathetic outflow to the heart is the main determinant of HRV, while the role of the sympathetic branch is less important. Indeed, sympathetic blockades failed in changing HRV indices at rest, indicating that a selective blockade of cardiac ß-adrenergic receptors has no effects on spontaneous heart rate oscillations. These effects are specific to HRV, as the effects observed on blood pressure variability are indirectly related to the action of the administered drugs. The changes in baroreflex sensitivity were consistent with the changes in arterial blood pressure variability, suggesting that baroreflexes may modulate the LF power of arterial blood pressure.

Avec pour objectifs la modélisation des mécanismes de croissance par transport en phase gazeuse et l'influence du vecteur gravité sur l'anisotropie et la cinétique de croissance, des expériences ont été préparées et réalisées sur terre, en microgravité et en hypergravité. Les matériaux choisis sont le ternaire Pb0,8Sn0,2Te par transport physique et le binaire GaAS sur des demi-billes orientées de GaAs par transport chimique.<br />Une étude thermodynamique des différentes pressions partielles des éléments présents dans la phase gazeuse a été réalisée. La diffraction de Läue en retour et la microscopie électronique nous ont permis d'identifier les facettes de GaAs et leurs épaisseurs. Par spectroscopie RAMAN, nous avons mis en évidence des gradients de concentration en fonction de g du dopant Sn dans les couches déposées de GaAs.<br />Une modélisation numérique des écoulements basée sur une méthode spectrale de tye Tau - Chebyshev a été effectuée.

Les réseaux vasculaires cérébraux adaptent leur activité à la demande métabolique des neurones environnants, mais leur contribution fonctionnelle à la consolidation de la mémoire, processus par lequel les traces mnésiques se stabilisent dans le temps, reste inconnue. A l’aide d’un test de mémoire olfactif associatif couplé à des approches biochimiques et d’imagerie cérébrale chez le rat, nous avons étudié la dynamique des changements vasculaires au cours de la consolidation mnésique qui nécessite une interaction transitoire entre l'hippocampe et les régions corticales constituant les sites dépositaires des souvenirs. Nous montrons que la formation d’une mémoire durable est associée, dès l’encodage, à un signal hypoxique qui déclenche une angiogenèse transitoire dans des régions corticales spécifiques impliquées plus tard dans le stockage des souvenirs. Manipuler cette angiogenèse corticale précoce (ACP) par blocage ou stimulation spécifique de la voie de signalisation de l'angiopoïétine-2 perturbe, ou améliore, le rappel des informations anciennement acquises. Stimuler l’ACP chez un modèle de rats hypertendus présentant des déficits d’activation de la voie de l’angiopoïetine-2 et de formation de la mémoire pallie le déficit mnésique observé, confirmant l'importance fonctionnelle de l’ACP comme un prérequis à la formation des souvenirs. L'hypergravité, connue pour altérer les fonctions vasculaires, n’a pas modifié l'organisation de la mémoire. Nos résultats identifient l’ACP comme un processus neurobiologique crucial sous-tendant la formation et la stabilisation des souvenirs. Ils révèlent l'importance de la plasticité vasculaire dans la modulation des fonctions cognitives et suggèrent que les changements structurels précoces du réseau vasculaire cérébral constituent un mécanisme permissif pour la régulation de la plasticité neuronale au sein des réseaux corticaux impliqués dans la formation progressive et le stockage des souvenirs. / While the cerebral microvasculature is known to adapt its activity according to the metabolic demand of surrounding neurons, the functional contribution of vascular networks to memory consolidation, the process by which memory traces acquire stability over time, remains elusive. By using an associative olfactory memory task in rats coupled to biochemical and imaging techniques, we investigated the dynamics of vascular changes during memory consolidation which requires a transitory interaction between the hippocampus and distributed cortical regions that ultimately support storage of enduring memories. We found that remote memory formation was associated, upon encoding, with a hypoxic signal that triggered transitory angiogenesis in specific cortical regions which support memory storage and retrieval only weeks later. Manipulating early cortical angiogenesis (ECA) by selectively blocking or stimulating the angiopoietin-2 signaling pathway impaired or improved remote memory retrieval, respectively. Enhancing ECA in spontaneously hypertensive rats, which exhibit reduced angiopoietin- 2 expression when cognitively challenged and are unable to properly stabilize and/or retrieve remotely acquired information, was efficient in rescuing the observed memory deficit, thus confirming the functional importance of ECA as a prerequisite for the formation of remote memories. Hypergravity, known to impair vascular functions, failed to alter the organization of recent and remote memory. Altogether, our findings identify ECA as a crucial neurobiological process underlying the formation and stabilization of remote memory. They highlight the importance of vascular plasticity in modulating cognitive functions and suggest that the early structural changes within vascular networks constitute a permissive mechanism for the regulation of neuronal plasticity within cortical networks which support the formation and storage of enduring memories.

Le présent travail de Doctorat porte sur l’adaptation et le déconditionnement cardiovasculaire chez l’astronaute en microgravité réelle prolongée, en microgravité simulée de courte durée (avec et sans contremesures par hypergravité), et en confinement de longue durée. Afin de répondre à cette thématique, 3 études expérimentales sur l’humain ont été réalisées, et de fait, ce présent travail de Doctorat se divise en 3 parties distinctes. La première est la mission « Mars 500 » qui comprend un confinement de 520 jours de 6 sujets-volontaires. La seconde est le projet « Vessel Imaging » qui comprend un vol spatial respectif de 6 mois à bord de la « Station Spatiale Internationale (ISS) » de 10 sujets-astronautes. La troisième est l’étude «Short Time Bed-Rest (STBR)» (12 sujets) qui comprend une courte période de microgravité simulée par alitement prolongé à -6° (5 jours) avec et sans l’utilisation de deux contremesures cardiovasculaires par hypergravité (continue ou intermittente). / This PhD work focuses on astronaut cardiovascular adaptation and deconditioning in real prolonged microgravity, short simulated microgravity (with and without countermeasures) and long-term confinement. To answer to this topic 3 humans experimental studies have been performed, and thus the present PhD work is divided into 3 distinct parts . The first one is the mission « Mars 500 » which consists in 520-days confinement with 6 subjects-volunteers mission. The second is the project « Vessel Imaging » whitch consit in a 6-months spaceflight aboard the « International Space Station » with 10 subjects-astronauts. The third is the « Short Time Bed -Rest (STBR) » study (12 subjects) which consist in a short period of bedrest (-6°, 5 days) with and without the use of two cardiovascular countermeasures by hypergravity (continuous or intermittent).