Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'inhalation de monoxyde d'azote (NO) est l'une des thérapies les plus utilisées en réanimation néonatale. Cependant, peu de données sont disponibles sur l'impact de l'inhalation de NO sur le développement cérébral et le devenir des enfants prématurés. Nous avons étudié l'impact du monoxyde d'azote inhalé (iNO) sur le cerveau en développement chez le rongeur. Des portées et leur mère sont placés sous 5 à 20 ppm de NO de la naissance (P0) jusqu'au 7ème jour de vie postnatal (P7). Les animaux exposés au NO présentent une augmentation transitoire de l'angiogenèse et de la myélinisation, sans incidence sur les fonctions cognitives à l'âge adulte. L'exposition au NO est associée à une prolifération d'oligodendrocytes immatures et à une maturation anticipée des formes myélinisantes. Les rôles du NO endogène et du couple VEGF/VEGFR2 dans ces effets ont été évalués via l'injection d'antagonistes : LNAME pour inhiber les NOS, SU-5416 comme antagoniste du VEGFR2. Dans les deux cas, l'inhalation de NO corrige les anomalies de myélinisation et d'angiogenèse induites par ces inhibiteurs. Nous avons soumis des ratons à une agression excitotoxique par injection intracérébrale d'agonistes du glutamate. A P10 les rats exposés au iNO avant l'injection présentent des lésions moins importantes ; ainsi qu'un diminution de densité des microglies activées et des astrocytes. Cet effet neuroprotecteur est associé à une régulation de sous-unités des récepteurs au glutamate dès P5. Cet effet transcriptionnel semble lié à la modulation de la signalisation pCREB/Akt. Les effets à distance du iNO sont liés à un transport réversible endovasculaire du NO. In fine, du NO est delivré à la cellule et les concentrations intracellaires de cGMP augmentent d'un facteur 5. Plusieurs facteurs de transcription sont régulés : PDGFR-α, Sema3F, les sous-unités des récepteurs au glutamate, Thrombospondine-1. Cette dernière est un antagoniste naturel de la signalisation NO-cGMP. L'injection de ABT-510, agoniste de TSP-1, abolit les effets du iNO, confirmant l'hypothèse que les effets à distance reposent sur la signalisation NO-Guanylate Cyclase soluble-cGMP. Au total, nous avons démontré que le iNO est transporté de manière réversible et delivré au cerveau en développement. Il y exerce un effet pro-angiogénique et pro-myélinisant, via une signalisation cGMP, régulée par la thrombospondine-1. Plus encore, l'exposition prophylactique au iNO diminue l'impact d'une agression excitotoxique. Ce qui augure de propriétés neuroprotectrices prometteuses en néonatalogie, et au delà.

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Aux côtés des formes dites classiques de Sclérose en plaques (SEP), un nombre important de patients présentent des caractéristiques atypiques qui vont être responsable d’une période, parfois longue, d’errance diagnostique. Certains de ces patients, malgré les atypies, font clairement partie du spectre de la SEP tandis-que d’autres présentent probablement des maladies inflammatoires démyélinisantes idiopathiques distinctes qui sont, à ce jour, toujours en attente d’individualisation.Les objectifs principaux de ce travail de thèse étaient de mieux caractériser ces formes atypiques de SEP et autres maladies inflammatoires démyélinisantes idiopathiques.Nous avons effectué un travail rétrospectif de caractérisation clinique et radiologique (sur les données d’IRM acquises en conditions de vie réelle) afin d’aider au diagnostic et à mieux définir le pronostic évolutif de ces patients. Nous avons également effectué une analyse anatomopathologique chez les patients présentant une lésion inflammatoire nécessitant une biopsie avec pour objectif de mieux positionner ces lésions au sein du spectre de la SEP et du spectre des Neuromyélites Optiques (NMOSD). Enfin nous avons effectué une caractérisation de l’expression astrocytaire du récepteur NKp46 au sein des lésions de SEP et des lésions inflammatoires démyélinisantes atypiques.Les principaux résultats sont :1) En l’absence d’autre lésion cérébrale évocatrice de SEP, le risque de développer une SEP cliniquement définie chez un patient présentant une lésion cérébrale inflammatoire démyélinisante isolée est faible.2) La SEP, notamment dans sa forme progressive, peut avoir des caractéristiques proches de celles rencontrées dans le cadre des léucoencéphalopathies héréditaires. Dans ces situations, l’analyse des lésions de la substance grise, de la topographie des lésions de la substance blanche et le caractère nodulaire (>3mm mais non diffus) sont en faveur du diagnostic de SEP.3) Les lésions inflammatoires démyélinisantes du système nerveux central sont extrêmement hétérogènes en IRM. Néanmoins, certaines caractéristiques leurs sont communes : liseré périphérique en hypersignal en diffusion, prise de contraste périphérique ouverte, respect de la substance grise. L’analyse anatomopathologique sur tissus provenant de biopsies réalisées pour incertitude diagnostique démontre une préservation quasi systématique du marquage AQP4.4) L’expression astrocytaire de NKp46, récepteur classiquement décrit comme spécifique des lymphocytes NK, est commune à de nombreuses conditions neuroinflammatoires et neurodégénératives y compris la SEP, les NMOSD et les autres maladies inflammatoires démyélinisantes. Nous n’avons, à ce jour, pas pu déterminer l’implication du récepteur NKp46 dans la réponse astrocytaire en conditions inflammatoires.En conclusion, l’étude de notre cohorte rétrospective multicentrique a permis de mieux préciser les caractéristiques clinique (y compris de suivi), anatomopathologiques et IRM de patients présentant des formes atypiques de SEP et de maladies inflammatoires démyélinisantes.L’identification de sous-types de SEP caractérisés par une atteinte extrêmement sévère tant sur le plan clinique que radiologique nous semble pouvoir être un modèle d’étude intéressant dans la recherche de biomarqueurs d’imagerie et biologiques de la maladie. / Beside classical multiple sclerosis (MS), a significant proportion of patients can present some atypical clinical or radiological characteristics that will lead to diagnostic uncertainties. On one side, some of these patients belong to MS spectrum whereas some other probably have yet unidentified inflammatory demyelinating disorders.Our objectives were to describe those patients with atypical MS and atypical idiopathic inflammatory demyelinating disorders.We retrospectively gathered clinical and radiological (in a real-life setting) data from patient to better delineate diagnostic clues and to better assess prognosis of these patients. Moreover, a neuropathological analysis of patients’ tissue collected for diagnostic uncertainties was performed to assess AQP4 staining in patients with acute atypical inflammatory demyelinating disease. Finally, we characterized the expression of the activating receptor NKp46 within astrocytes in MS and other inflammatory neurological diseases.Our main results were the following:1) in the absence of any other lesion suggestive of MS, the overall risk of MS diagnosis and typical MS relapse is low.2) MS, notably primary progressive or bout-onset MS, can share MRI characteristics with inherited leukoencephalopathies and leukodystrophies. In this context, a thorough analysis of deep and cortical gray matter, topography of white matter lesions and size (typically nodular > 3mm but not confluent) strongly argues in favor of MS.3) In spite of a marked heterogeneity of central nervous system inflammatory demyelinating lesions, some characteristics such as a peripheral B1000 hyperintensity with open rim gadolinium enhancement (with or without central enhancement) and gray matter sparing are common to all of these conditions. Moreover, neuropathological analysis of these lesions suggests a systematic normal/increased AQP4 staining.4) NKp46 astrocytic expression, a classical NK cells marker is common to several neuroinflammatory diseases including MS, NMOSD and other inflammatory demyelinating disorders. To date, we were not able to ascertain NKp46 involvement in the context of neuroinflammation.To conclude, our analysis enabled to refine clinical, neuropathological and MRI characteristics of patients with atypical MS and atypical inflammatory demyelinating disorders.The identification of “clusters” of atypical MS with dramatic disability progression and early evidence of neurodegeneration should allow us to identify promising MRI and/or biological biomarkers of disease progression.

Ce travail de thèse avait pour objectif d’étudier le rôle de l’hippocampe (HPC) ventral et des noyaux reuniens (Re) et rhomboïde (Rh) du thalamus dans les processus cognitifs qui sous-tendent la mémoire spatiale chez le Rat. Par l’utilisation d’approches complémentaires combinant l’imagerie cérébrale, la lésion excitotoxique, l’inactivation fonctionnelle réversible et des évaluations comportementales, nos résultats ont mis en évidence : (1) l’implication spécifique de l’HPC ventral uniquement dans le rappel d’informations spatiales ; (2) un rôle-clé des noyaux Re et Rh dans la persistance d’un souvenir spatial ; (3) l’implication des noyaux Re et Rh dans le labyrinthe du double-H, un nouveau test nécessitant d’une part, l’utilisation d’informations spatiales dépendant de l’intégrité de l’HPC dorsal, et d’autre part, une flexibilité comportementale, impliquant le cortex préfrontal médian. Ainsi, l’ensemble de ces résultats permet de proposer l’existence d’un circuit HPC-préfronto-thalamique impliqué dans divers aspects du traitement des informations spatiales. / The main objective of this thesis was to investigate the role of the ventral hippocampus (HPC) and the reuniens (Re) and rhomboid (Rh) thalamic nuclei in the cognitive processes underlying spatial memory in the Rat. If our results first confirmed, in the Morris water maze, the role of the dorsal HPC in the acquisition and retrieval of a spatial reference memory, we demonstrated the specific involvement of the ventral HPC only in the recall of spatial information. In addition, by using complementary approaches combining brain imaging, excitotoxic lesion and reversible functional inactivation, we were able to show for the first time a key role for the Re and Rh in the persistence of a spatial memory (25 days). Finally, the third set of experiments has highlighted the involvement of the Re and Rh in a mnemonic task performed in a new test, the double-H maze, which requires the use of spatial information depending on the integrity of the dorsal HPC, and a behavioral flexibility, involving the medial prefrontal cortex. Thus, taken together, these results suggest the involvement of a HPC-prefronto-thalamic network in various aspects of spatial information processing.

Le développement de technologies sécuritaires pour les interactions humain-robot offre la possibilité de concevoir des robots d’assistance thérapeutique. Une des approches recherchées est l’exosquelette permettant aux utilisateurs souffrant de paralysie partielle de retrouver leur mobilité en augmentant la force et la stabilité des jambes. Pour atteindre cet objectif, l’utilisation de l’actionneur différentiel élastique (ADE) permet d’appliquer une assistance mécanique aux membres de l’utilisateur tout en lui permettant d’influencer le résultat final. Le contrôle par impédance permet de tirer avantage de cette technologie, mais demande une gestion des forces externes plus élaborée. La gravité influence la position finale en exerçant une force vers le sol. Les frictions internes du robot et les résistances articulatoires de l’utilisateur peuvent aussi limiter la capacité d’atteindre une position désirée. Pour assurer la sécurité de l’utilisateur, il est nécessaire de compenser ces problèmes de façon à ne pas limiter le caractère compliant des actionneurs. Le contrôle par impédance combiné à la génération de trajectoire par polynôme quintique proposée permet d’améliorer la précision de l’exosquelette tout en réduisant la rigidité nécessaire. La compensation de gravité proposée permet à l’exosquelette d’apprendre l’influence de la gravité sur la précision du système et d’appliquer le couple supplémentaire pour l’annuler. Les résultats montrent que le système est capable d’assurer une performance intéressante et qu’il peut maintenir cette performance malgré la présence de forces externes autres que la gravité. Les exosquelettes actuellement sur le marché fournissent une assistance en force sans évaluer la sécurité de la démarche de l’utilisateur, ce qui nécessite un utilisateur capable de marcher par lui-même pour le contrôler. L’approche proposée a le potentiel de rendre possible l’exosquelette thérapeutique capable d’assurer l’équilibre de son utilisateur lors de ses déplacements, même s’il peut difficilement le faire sans assistance.

Les lésions cérébrales induisent une mort neuronale associée à des déficits fonctionnels importants. Afin de pallier aux capacités limitées de régénération spontanée des neurones du système nerveux central adulte, nous avons évalué, dans un modèle de lésion par aspiration du cortex moteur chez la souris adulte, le potentiel de stratégies de remplacement cellulaire par la transplantation de neurones embryonnaires ou dérivés de cellules souches, et la mobilisation des cellules souches endogènes présentes dans la zone sous-ventriculaire (ZSV). L'efficacité des neurones greffés dépend de leur capacité à adopter un phénotype neuronal approprié et à établir des projections spécifiques vers l'hôte. Nous avons montré que les cellules embryonnaires transplantées immédiatement après la lésion dans le cortex moteur lésé se différencient en neurones matures corticaux et envoient des projections appropriées vers les cibles du cortex moteur. Nous avons montré qu'introduire un délai d'une semaine entre la lésion du cortex moteur et la transplantation augmente la vascularisation et la prolifération des cellules transplantées, ainsi que la densité des projections qu'elles développent. Par ailleurs, nous avons étudié la possibilité de générer des neurones corticaux à partir de cellules souches humaines comme source alternative de neurones à transplanter. Enfin, nous avons montré que la lésion du cortex moteur induit une augmentation de la prolifération cellulaire et de la neurogenèse dans la ZSV, et favorise la migration des neuroblastes de la ZSV vers le site de lésion. / Damage to the adult motor cortex can lead to severe deficits in motor function. One strategy for overcoming the generally limited capacity of the mature central nervous system to regenerate axons in response to cell loss is cell replacement based therapies. We studied brain repair strategies in a mouse model of motor cortex aspiration lesion by using transplantation of embryonic neurons or stem cells-derived neurons and by evaluating the potential of endogenous stem cells found in the subventricular zone. Neuronal transplantation efficacy depends on the capacity of the transplanted cells to developp into appropriate neuronal phenotype and establishment of specific connections. We have shown that embryonic cells grafted immediately after lesion into the lesioned motor cortex develop into mature neurons with appropriate phenotype and establish projections towards appropriate targets. We have shown that introducing a delay of one week between motor cortex lesion and transplantation enhances graft vascularization, grafted cells proliferation and the density of transplant-to-host projections. Besides, we have studied the possibility to generate cortical neurons from human stem cells as an alternative source of neurons for transplantation. Finally, recruitment of endogenous stem cells found in the SVZ was examined in a mouse model of cortical lesion. We have shown that motor cortex injury increases cellular proliferation and neurogenesis in the SVZ and the migration of neuroblasts near the lesion site via blood vessels and astrocytes assisted migration.

Les lésions du système nerveux central (SNC) entraînent une perte neuronale associée à des déficits fonctionnels importants. En réponse à une lésion, les capacités de repousse axonale et de régénération spontanée des neurones du SNC sont limitées. Nous avons évalué, dans un modèle de lésion corticale chez la souris adulte, le potentiel des greffes de neurones corticaux embryonnaires à réparer les voies corticales lésées. L'efficacité de cette approche thérapeutique dépend (1) du degré de survie des cellules greffées, (2) de la capacité des cellules greffées à se différencier en type neuronal approprié et (3) de la capacité des neurones greffés à restaurer les voies corticales endommagées de façon spécifiques. Nous avons montré que les neurones embryonnaires corticaux d'origine du cortex moteur transplantés immédiatement après la lésion du cortex moteur adulte se différencient en neurones matures exprimant les mêmes neurotransmetteurs et marqueurs de couches corticales que ceux du cortex normal. De plus, les neurones transplantés développent des projections vers les cibles corticales et sous corticales appropriées. Par ailleurs, nous avons étudié l'influence de la neuroinflammation post-lésionnelle sur la survie des neurones transplantés et, l'influence des neurones transplantés sur la neuroinflammation de l'hôte. / Central nervous system (CNS) lesions leads to a neuronal loss associated with significant functional deficits. In response to injury, the capacity of spontaneous axonal regrowth and regeneration of neurons in the CNS are limited. We evaluated in a model of cortical lesion in adult mice, the potential of embryonic cortical neurons grafts to repair the injured cortical pathways. The efficacy of this therapeutic approach depends on (1) the degree of survival of transplanted cells, (2) the ability of the grafted cells to differentiate into neuronal appropriate type and (3) the ability of the transplanted neurons to restore damaged cortical pathways. We have shown that embryonic cortical neurons transplanted immediately after the injury of the adult motor cortex differentiate into mature neurons expressing the same neurotransmitters and markers of cortical layers that are normally expressed by intact cortex. Furthermore, the transplanted neurons develop projections to the appropriate cortical and sub-cortical targets. Furthermore, we studied the influence of post-traumatic neuroinflammation on the survival of transplanted neurons and the influence of transplanted neurons on host neuroinflammation.

Le GABA et la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs de la moelle épinière adulte, jouent un rôle clé dans la plasticité neuronale. Ils peuvent être excitateurs selon la concentration en chlorure du neurone cible. Celle-ci est principalement régulée par les co-transporteurs, KCC2, spécifique des neurones et NKCC1, ubiquitaire. Ces protéines font respectivement sortir et entrer les ions chlorure. Au cours du développement, l’expression de KCC2 augmente alors que celle de NKCC1 diminue, au moment où l’effet des potentiels post-synaptiques inhibiteurs sur le potentiel de membrane des neurones passe d’une dépolarisation à une hyperpolarisation. Une lésion médullaire à P0 bloque cette augmentation développementale. Cela est corrélé à une perte de fonction de KCC2, laquelle est restaurée après traitement avec un agoniste des récepteurs 5-HT2, indiquant que les voies descendantes issues du tronc cérébral, en particulier sérotoninergique, sont essentielles à la maturation du système inhibiteur. Une lésion chez l’adulte, induit une diminution de l’expression KCC2, en particulier à la surface des motoneurones et de ce fait, de la force de l’inhibition post-synaptique. Le BDNF est impliqué dans cette diminution mais son effet s’inverse 15 jours après la lésion, permettant le réacheminement de KCC2 à la surface des cellules. La phosphorylation des tyrosines et sérines serait impliquée dans l’adressage et la stabilisation de KCC2 dans la membrane plasmique alors que celle des thréonines jouerait un rôle dans son activation fonctionnelle. Ces résultats indiquent que KCC2 est une cible de choix pour restaurer l’inhibition neuronale dans la moelle épinière après traumatisme. / Le GABA et la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs de la moelle épinière adulte, jouent un rôle clé dans la plasticité neuronale. Ils peuvent être excitateurs selon la concentration en chlorure du neurone cible. Celle-ci est principalement régulée par les co-transporteurs, KCC2, spécifique des neurones et NKCC1, ubiquitaire. Ces protéines font respectivement sortir et entrer les ions chlorure. Au cours du développement, l’expression de KCC2 augmente alors que celle de NKCC1 diminue, au moment où l’effet des potentiels post-synaptiques inhibiteurs sur le potentiel de membrane des neurones passe d’une dépolarisation à une hyperpolarisation. Une lésion médullaire à P0 bloque cette augmentation développementale. Cela est corrélé à une perte de fonction de KCC2, laquelle est restaurée après traitement avec un agoniste des récepteurs 5-HT2, indiquant que les voies descendantes issues du tronc cérébral, en particulier sérotoninergique, sont essentielles à la maturation du système inhibiteur. Une lésion chez l’adulte, induit une diminution de l’expression KCC2, en particulier à la surface des motoneurones et de ce fait, de la force de l’inhibition post-synaptique. Le BDNF est impliqué dans cette diminution mais son effet s’inverse 15 jours après la lésion, permettant le réacheminement de KCC2 à la surface des cellules. La phosphorylation des tyrosines et sérines serait impliquée dans l’adressage et la stabilisation de KCC2 dans la membrane plasmique alors que celle des thréonines jouerait un rôle dans son activation fonctionnelle. Ces résultats indiquent que KCC2 est une cible de choix pour restaurer l’inhibition neuronale dans la moelle épinière après traumatisme.