Le plan Alzheimer 2008-2012 prévoyait la création d’une base de données nationale recueillant des données d’activité de l’ensemble des centres mémoire français. La banque nationale Alzheimer (BNA) s’est vu assignée un double objectif : contribuer à adapter l’offre de soins spécialisés et générer des données épidémiologiques sur la maladie d’Alzheimer et les maladies apparentées. Les bases de données médico-administratives sont utiles dans le champ de l’épidémiologie car les effectifs sont importants, les données reflètent les pratiques quotidiennes et le suivi longitudinal est le plus souvent possible. Des problèmes spécifiques se posent également car elles n’ont en général pas été conçues dans un objectif de recherche, manquent d’informations spécifiques d’une problématique donnée et présentent des limites en termes de validité. L’objectif de ce travail est d’étudier la BNA comme outil épidémiologique. Pour ce faire nous avons effectué des travaux relatifs à la qualité des données et à la validité externe de la base de données, nous avons également mené un travail spécifique sur l’atrophie corticale postérieure afin de montrer les possibilités de la BNA comme outil pour l’étude des affections neuro-dégénératives rares. Notre travail montre que la qualité des données est perfectible par la mise en place d’un contrôle qualité plus structuré. La BNA est actuellement capable de reproduire des résultats de recherche décrits dans la littérature et semble sensible aux grandes tendances décrites dans l’environnement. Nous proposons une série de mesures qui permettrait à la BNA d’être un meilleur outil pour la recherche en épidémiologie. / The French Alzheimer database (BNA) is part of the third French plan against Alzheimer’s disease and related disorders. The objective of this database is to collect activity data of all French memory centers in order to help health authorities to organize the care offer and to generate epidemiologic knowledge on dementia. Administrative database have advantages and drawback in terms of medical research. It can gather data related to a large population, reflects the “real life” of patients and medical practices and allows longitudinal follow-up. On this other side some specific problems exists among them validity is a real concern. The objective of this work was to assess the BNA as an epidemiologic tool. We performed quality analyses and external validity studies in this perspective and initiated a research on posterior cortical atrophy to illustrate the potential of the database for the study of rare conditions. Our work shows that quality can be increased by the setup of a more structured quality program. The BNA is currently able to reproduce known published results and is sensitive to the environment. In this work we give some recommendations to increase the value of the BNA for epidemiological research.

La neurogenèse est présente, dans le cerveau adulte, dans la zone sous-ventriculaire (ZSV) encadrant les ventricules latéraux et dans le gyrus dentelé (GD) de l’hippocampe, permettant l’apprentissage, la mémoire et la fonction olfactive. Ces micro-environnements possèdent des signaux contrôlant l’auto-renouvellement des cellules souches neurales (CSN), leur prolifération, leur destin et leur différenciation. Or, lors du vieillissement, les capacités régénératives et homéostatiques et la neurogenèse déclinent. Les patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA), comme le modèle animal reproduisant cette maladie (3xTg-AD), montrent une accélération des phénotypes liés au vieillissement dont une diminution de la neurogenèse. Notre hypothèse est que la découverte des mécanismes affectant la neurogenèse, lors du vieillissement et de la MA, pourrait fournir de nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir le déclin cognitif. Les études sur l’âge d’apparition et les mécanismes altérant la neurogenèse dans la MA sont contrastées et nous ont guidé vers deux études. L’examen des changements dans les étapes de la neurogenèse lors du vieillissement et du développement de la neuropathologie. Nous avons étudié la ZSV, les bulbes olfactifs et le GD de souris femelles de 11 et 18 mois, et l’apparition des deux pathologies associées à la MA : les plaques amyloïdes et les enchevêtrements neurofibrillaires. Nous avons découvert que les souris 3xTg-AD possèdent moins de cellules en prolifération, de progéniteurs et de neuroblastes, induisant une diminution de l’intégration de nouvelles cellules dans le GD et les bulbes olfactifs. Notons que le taux de neurogenèse chez ces souris de 11 mois est similaire à celui des souris de phénotype sauvage de 18 mois, indiquant une accélération des changements liés au vieillissement dans la MA. Dans la ZSV, nous avons aussi démontré une accumulation de gouttelettes lipidiques, suggérant des changements dans l’organisation et le métabolisme de la niche. Enfin, nous avons démontré que le déficit de la neurogenèse apparait lors des premières étapes de la MA, avant l’apparition des plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires. A l’examen des mécanismes inhibant la neurogenèse lors de la MA, nous voyons que chez des souris de 5 mois, le déficit de la neurogenèse dans la ZSV et le GD est corrélé avec l’accumulation de lipides, qui coïncide avec l’apparition du déclin cognitif. Nous avons aussi découvert que dans le cerveau humain de patients atteints de la MA et dans les 3xTg-AD, des gouttelettes lipidiques s’accumulaient dans les cellules épendymaires, représentant le principal soutien des CSN de la niche. Ces lipides sont des triglycérides enrichis en acide oléique qui proviennent de la niche et pas d’une défaillance du système périphérique. De plus, l’infusion locale d’acide oléique chez des souris de phénotype sauvage permet de reproduire l’accumulation de triglycérides dans les cellules épendymaires, comme dans la MA. Ces gouttelettes induisent un dérèglement de la voie de signalisation Akt-FoxO3 dans les CSN, menant à l’inhibition de leur activation in vitro et in vivo. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la régulation de la neurogenèse par le métabolisme lipidique. Nous avons démontré un nouveau mécanisme par lequel l’accumulation des lipides dans la ZSV induit une inhibition des capacités de prolifération et de régénération des CSN lors de la MA. Les travaux futurs permettront de comprendre comment et pourquoi le métabolisme lipidique du cerveau est altéré dans la MA, ce qui pourrait offrir de nouvelles voies thérapeutiques pour la prévention et la régénération. / In the adult brain, neurogenesis continues in the subventricular zone (SVZ) surrounding the lateral ventricles and the dentate gyrus (DG) of the hippocampus where it plays a critical role in learning, memory, and olfactory function. Within these microenvironments, combinatorial signals control neural stem cell (NSC) self-renewal, proliferation, fate determination and differentiation. Unfortunately, during aging, neurogenesis declines along with many other homeostatic and regenerative capabilities. Furthermore, Alzheimer’s disease (AD) patients and many AD models show an acceleration of several aging related phenotypes including neurogenesis. We hypothesize that uncovering how neurogenesis is affected during aging and in AD will provide novel targets for prevention of cognitive decline. However, conflicting findings including the age of onset and the mechanisms altering neurogenesis in AD propelled us to perform the two following studies. First, we examined the various steps of neurogenesis and how they change as a result of aging, neuropathology development, and neurogenic niches. We studied neurogenesis in the SVZ, olfactory bulb, and DG of 11- and 18-month-old female mice and simultaneously measured the stages of the two major AD-associated pathologies, amyloid plaques and neurofibrillary tangles. We found that, 3xTg-AD mice had fewer proliferating cells, neural progenitors and neuroblasts, resulting in decreased numbers of adult-born cells added to the dentate granule cell layer and the olfactory bulbs. Interestingly, the levels of neurogenesis in 11-month-old 3xTg mice were similar to those in 18-month-old WT mice, indicating an acceleration of aging-related changes in neurogenesis. Interestingly, we found that the deficits in neurogenesis appear at early stages of AD-associated pathologies, before the appearance of the hallmark Aβ plaques and neurofibrillary tangles. Instead, we found a pronounced accumulation of large lipid droplets, suggestive of significant organizational and metabolic changes (Chapter 2). Second, we examined the mechanisms inhibiting neurogenesis in AD. Studying young 5-month-old mice, we found that deficits in SVZ and DG neurogenesis still correlated with extensive lipid accumulation coinciding with the onset of cognitive decline. Importantly, we found that postmortem AD brains and 3xTg-AD mice accumulate neutral lipids within ependymal cells, the main support cell of the SVZ niche. Using novel mass spectrometry techniques, we identified these lipids as oleic acid-enriched triglycerides. Moreover, analysis of plasma, cerebrospinal fluid, and microdissected SVZs showed that these lipids originate from niche-derived rather than peripheral lipid metabolism defects. Remarkably, locally increasing oleic acid in wild-type mice was sufficient to recapitulate the AD-associated ependymal triglyceride phenotype and led to a de-regulation of the Akt-FoxO3 NSC preservation pathway, and inhibition of NSC activation in vitro and in vivo (Chapter 3). Together, this work suggests a novel mechanism of cognitive defects. Specifically, lipid accumulation within SVZ niche cells during early adulthood inhibits the proliferative and regenerative capacity of NSCs in AD. Future work aimed at understanding how and why brain lipid metabolism is altered in AD could provide therapeutic targets for preventative and regenerative strategies for those suffering from AD.

Les maladies neurodégénératives regroupent un ensemble de neuropathologies qui se caractérisent par le dysfonctionnement progressif des neurones et leur perte irréversible au niveau du système nerveux central. Parmi ces maladies figure la maladie d’Alzheimer (MA) qui est une des conditions neurodégénératives la plus fréquente. Bien qu’aucune étiologie n’ait encore été identifiée, le vieillissement est par conséquent le principal facteur de risque de la MA. Grâce aux recherches réalisées sur le vieillissement, des caractéristiques de changements cellulaires et biochimiques, comme la sénescence cellulaire et l’inflammaging, ont été associées à ce phénomène. La sénescence cellulaire qui se définit par un état d’arrêt du cycle cellulaire pourrait aggraver une maladie neurodégénérative, entre autres par le biais de phénotypes sécrétoires associés à la sénescence. L’implication du proto-oncogène BMI1 dans la régulation du cycle cellulaire et la sénescence a été démontrée à travers son inhibition du locus INK4/ARF. De plus, une déficience en BMI1 a été rapportée dans des neurones de certains patients avec la MA, et elle est également associée à une neurodégénérescence précoce. Le complexe NF-κB participe à l’expression d’un large éventail de gènes de cytokines pro-inflammatoires impliquées dans les processus de l’inflammaging et de la sénescence cellulaire. Cependant, l’implication conjointe de BMI1 et de NF-κB dans les processus de neurodégénérescence demeure peu connue. Compte tenu de ce contexte, dans le cadre de ce projet de maitrise, nous avons voulu explorer l’implication conjointe des molécules BMI1 et de la voie canonique du facteur NF-κB dans la production de cytokines pro-inflammatoires en utilisant des modèles in vivo et in vitro reproduisant un phénotype de neurodégénérescence similaire à la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’une déficience en BMI1 est corrélée à une inactivation du facteur NF-κB aussi bien dans des neurones in vitro qu’in vivo ainsi qu’a une baisse de l’expression des cytokines IL6 et IL8. Bien que nous présentions des résultats générés à partir d’expériences non dupliquées, ils convergent tout de même vers des conclusions similaires à celles obtenues au niveau de pathologies cancéreuses. Ainsi notre projet apporte une information additionnelle qui pourrait servir à la compréhension des mécanismes sous-jacents au phénomène de l’inflammaging dans la neurodégénérescence. / Neurodegenerative diseases are a group of neuropathologies characterized by the progressive dysfunction of neurons and their death in the central nervous system. Among these diseases, Alzheimer's disease (AD) is the most common one. Although no aetiology has yet been identified, aging is therefore the main risk factor for AD. Thanks to several research work on aging, cellular characteristics and biochemical changes, such as senescence and inflammaging, have been associated with this phenomenon. Senescence, which is defined as a state of cell cycle arrest, could worsen neurodegenerative diseases throughout senescence associated secretory phenotypes. The involvement of the proto-oncogene BMI1 in cell cycle regulation and senescence has been demonstrated through its inhibition of the INK4/ARF locus. Additionally, BMI1 deficiency has been reported in neurons of AD patients, and it is also associated with early neurodegeneration. The NF-κB complex participates in the expression of a wide range of pro-inflammatory cytokine involved in the processes of inflammaging and cellular senescence. However, little is known about the joint involvement of BMI1 and NF-κB molecules in neurodegeneration processes. Given this context, within the framework of this master's project, we wanted to explore the combined implication of BMI1 and the canonical pathway of the NF-κB factor in the production of pro-inflammatory cytokines using in vivo and in vitro models reproducing a neurodegenerative phenotype similar to Alzheimer's disease. Our results indicate that a deficiency in BMI1 is correlated to an inactivation of the NF-κB expression both in vitro and in vivo neurones, as well as with a decrease in the expression of cytokines IL6 and IL8. Although we present results generated from unduplicated experiments, they nonetheless converge towards similar conclusions obtained in studies carried out on cancerous pathologies. Thus, our project provides additional information that could help to understand the mechanisms underlying the inflammaging phenomena in neurodegeneration.

L’amélioration des techniques d’imagerie cérébrale a permis de grandes avancées dans la compréhension et la prédiction des mécanismes physiopathologiques de la Maladie d’Alzheimer (MA). Récemment, des travaux ont émis l’hypothèse d’une neurodégénérescence transneuronale selon laquelle les maladies neurodégénératives cibleraient des réseaux fonctionnels spécifiques où elles apparaitraient et se propageraient. Cette thèse visait à tester cette hypothèse dans le cadre de la MA en étudiant les liens entre la connectivité fonctionnelle au repos et les atteintes structurales, métaboliques et moléculaires. Un premier volet a été consacré à la caractérisation des atteintes fonctionnelles, structurales et métaboliques au sein des réseaux ventral et dorsal du cortex cingulaire postérieur (CCP) dans le Mild Cognitive Impairment (MCI) et la MA. Cette étude transversale a suggéré une vulnérabilité plus précoce (dès le stade de MCI) du réseau ventral en atrophie et en connectivité fonctionnelle au repos tandis que l’hypométabolisme était présent dans les deux réseaux chez les MCI et les MA. Le second volet a permis d’évaluer l’influence de la connectivité spécifique (de la région la plus atteinte) versus de la connectivité globale (d’une région avec le reste du cerveau, particulièrement élevée dans les régions hubs) sur la topographie et la propagation de l’atrophie, de l’hypométabolisme et des dépôts amyloïdes sur 18 mois dans la MA. Cette étude longitudinale a révélé que l’atrophie apparaitrait et se propagerait via la connectivité spécifique en évitant les régions hubs qui sont davantage vulnérables à l’hypométabolisme et aux dépôts amyloïdes. / Advances in neuroimaging techniques have allowed considerable improvement of the understanding and the prediction of the pathophysiological processes of Alzheimer’s disease (AD). Recent findings suggested a transneuronal spread hypothesis of neurodegeneration according to which neurodegenerative disease would target specific functional networks among which it would appear and spread. This thesis aimed at assessing this hypothesis in AD by studying the relationships between resting-state functional connectivity and structural, metabolic and molecular alterations. Firstly, we identified the functional, structural and metabolic alterations within the ventral and the dorsal posterior cingulate cortex (PCC) networks in Mild Cognitive Impairment (MCI) and AD. This transversal study suggested an early vulnerability (since the MCI stage) of the ventral network regarding atrophy and resting-state functional connectivity disruptions while hypometabolism concerned both ventral and dorsal networks in MCI and AD patients. Secondly, we assessed the relative influence of the specific connectivity (of the region the most disrupted) versus the global connectivity (of one region with the rest of the brain, especially high in hub regions) on the topography and the propagation of atrophy, hypometabolism and amyloid deposition over 18 months in AD. This longitudinal study revealed that atrophy would appear and propagate through the specific connectivity by avoiding hub regions which would be more vulnerable to the hypometabolism and amyloid deposition.

La prévalence de changements cérébraux pathologiques dans la population âgée est très élevée, même chez des individus en bonne santé et pleinement autonomes. L’accumulation anormale de la protéine bêta-amyloïde (A), un biomarqueur-clé de la maladie d’Alzheimer (MA), et les hypersignaux de la substance blanche (HSB), qui sont des lésions des petits vaisseaux cérébraux de la substance blanche, sont parmi les pathologies cérébrales liées à l’âge les plus répandues. Un ensemble de preuves scientifiques s’appuyant sur des données neuropathologiques, neuropsychologiques et d’imagerie cérébrale suggère que les personnes âgées cognitivement normales ayant une charge lésionnelle cérébrale importante présentent un déclin cognitif accentué. Ainsi, les changements neuropathologiques chez les aînés en bonne santé sont particulièrement intéressants, car ils constituent des cibles thérapeutiques prometteuses et pourraient contribuer au dépistage précoce de la MA. Cette thèse avait pour but d’examiner les associations entre la charge A, les HSB et l’épaisseur corticale à travers différents domaines de la cognition dans une cohorte de 104 personnes âgées cognitivement normales, en tenant compte de l’âge, du sexe et du niveau d’éducation. Tous les participants ont été soumis à une évaluation neuropsychologique détaillée, ainsi qu’à des examens en résonance magnétique (IRM) structurelle et en tomographie par émission de positons (TEP) avec le Pittsburgh Compound B (PIB). La sévérité des HSB a été quantifiée avec l’échelle Age-Related White Matter Changes (ARWMC). Mis ensemble, les résultats des deux articles empiriques composant cette thèse font ressortir des effets indépendants et additifs de la charge A et du volume de l’hippocampe droit sur la mémoire épisodique, de sorte qu’une pathologie A élevée et un volume plus faible prédisaient des performances moindres. La charge A et les HSB contribuaient de façon additive à une mémoire de travail diminuée et exerçaient des effets délétères synergiques sur la flexibilité mentale et l’attention. Les HSB étaient négativement associés au langage, dont ils étaient le plus important prédicteur. À l’inverse, ni les dépôts A ni les HSB n’étaient corrélés à la mémoire sémantique, la vitesse de traitement de l’information et les fonctions visuospatiales. Dans l’article 1, nous avons démontré que le déclin lié à l’âge au niveau de la mémoire épisodique, la mémoire de travail, la flexibilité mentale et le langage était entièrement médié par le degré de pathologie cérébrale. Dans l’article 2, nous avons démontré qu’il n’y avait pas d’association positive entre les cartes d’épaisseur corticale et les fonctions cognitives, à l’exception de la mémoire sémantique. En outre, la charge A, les HSB et les mesures d’IRM structurelle étaient indépendants les uns des autres, appuyant plutôt la notion de trajectoires physiopathologiques distinctes. Un résultat important de l’article 2 était la relation positive entre la mémoire sémantique et l’épaisseur corticale dans le lobe temporal antérieur (LTA), une région connue pour son rôle unique dans l’intégration des connaissances sémantiques à un niveau transmodal. Les résultats de cette thèse mettent en lumière le rôle médiateur de pathologies cérébrales prévalentes, soit la charge A et les HSB, dans le vieillissement cognitif, et suggèrent que celles-ci induisent des changements cognitifs par le biais de mécanismes physiopathologiques autres que l’atrophie cérébrale. Sur le plan clinique, nos travaux soulignent la pertinence de diversifier les outils d’évaluation utilisés pour le dépistage des troubles cognitifs chez la personne âgée, avec un accent particulier sur la mémoire sémantique. / Compelling evidence shows that pathological changes are highly prevalent in the aging brain, even in otherwise healthy individuals who remain fully functional. Among the most common age-related brain lesions are the abnormal deposition of beta-amyloid (A) peptide, a well-known hallmark of Alzheimer’s disease (AD), and white matter hyperintensities (WMH), which are regarded as a radiological marker of cerebral small vessel disease. Converging evidence from neuropathological, neuropsychological and neuroimaging data suggests that normal older adults harboring high levels of brain pathology exhibit exacerbated cognitive decline. Thus, neuropathological changes in healthy elderly people deserve particular attention as they are potential targets for early intervention and might contribute to the early identification of AD. This thesis sought to examine the associations between Aβ burden, WMH, cortical thickness and cognitive performances across multiple domains in a cohort of 104 cognitively normal older adults, while accounting for age, sex and years of formal education. All participants underwent an extensive neuropsychological assessment along with structural magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) with Pittsburgh Compound B (PIB). WMH severity was assessed using the age-related white matter changes (ARWMC) scale. Combined findings from the two empirical articles making up this thesis demonstrate independent, additive effects of A burden and right hippocampal volume on episodic memory whereby increased A deposition and reduced volume predict decreased performance. A burden and WMH contributed additively to poorer working memory and exerted deleterious synergistic effects on mental flexibility and attention. WMH was the most important predictor of linguistic abilities with higher lesion severity being associated with worse performances on language tasks. Conversely, neither A deposition nor WMH were correlated with semantic memory, processing speed and visuospatial abilities. In article 1, we demonstrated that age-dependent decline in episodic memory, working memory, mental flexibility and language was fully mediated by the extent of brain pathology. In article 2, cognition was not found to be positively associated with cortical thickness in the vertex-wise analyses, except for the domain of semantic memory. Furthermore, A burden, WMH and structural MRI measures were independent of one another, supporting the notion of distinct pathophysiological pathways. A notable finding of article 2 was that thinner cortical thickness in the left anterior temporal lobe (ATL) predicted poorer semantic memory, which is coherent with the role of the ATL in heteromodal semantic processing. The results presented in this thesis shed light on the role of prevalent brain pathologies, namely A burden and WMH, in driving age-related cognitive changes, and suggest that these changes can occur through pathways that are distinct from brain atrophy. Clinically speaking, this work lends support for the inclusion of a wider array of measures to routine screening for cognitive impairment in older adults, with an emphasis on semantic memory.

La maladie d’Alzheimer (MA) et les aphasies progressives primaires (APP) s’accompagnent de perturbations du langage expressif parfois subtiles, mais précoces dans l’évolution de ces maladies neurodégénératives. Considérés dans une approche automatisée, ces changements pourraient constituer des marqueurs de dégénérescence identifiés de façon non invasive et peu onéreuse. À ce titre, ils font l’objet d’études visant à automatiser leur utilisation clinique. Cependant, l’intégration des marqueurs langagiers à une approche diagnostique centrée sur les biomarqueurs reste à faire. À cette fin, la présente thèse a deux objectifs. D’abord, recenser systématiquement les marqueurs du discours qui distinguent le mieux les personnes avec une MA de témoins en santé. Ensuite, appliquer une approche automatisée et à un large éventail de marqueurs de discours pour identifier, dans un groupe hétérogène de patients avec une APP, lesquels ont une pathologie Alzheimer sous-jacente. Afin de mettre en contexte ces deux objectifs, nous proposons une introduction générale comprenant les éléments suivants : la pathophysiologie de la MA et des APP, le rôle croissant des biomarqueurs dans la prise de décision clinique dans les maladies neurodégénératives, les études pionnières du discours en neurodégénérescence, ainsi que de récentes études computationnelles sur les marqueurs de discours dans la MA et les APP. Nos résultats font émerger un patron multidimensionnel (acoustique, lexical, syntaxique, sémantique et pragmatique) de changements langagiers qui distinguent les personnes avec une MA de témoins en santé, avec une prépondérance des marqueurs lexicosémantiques. Dans le groupe de patients avec une APP avec une imagerie amyloïde positive ou négative, nous mesurons ensuite le pouvoir de classification d’un court échantillon de discours et montrons qu’il peut être avantageusement comparé à d’autres biomarqueurs. Nous discutons du patron spécifique de marqueurs discriminants pour ce sous-groupe de patients, notamment l’importance des marqueurs psycholinguistiques pour prédire le résultat de l’imagerie amyloïde à partir du discours. / Alzheimer’s disease (AD) and primary progressive aphasias (PPA) feature changes in expressive language that appear early in the course of the disease. Within an automated analysis framework, these language changes could offer a non-invasive and inexpensive alternative to the collection of biomarkers which are not readily available in most settings. Current research is thus focused on the automated analysis of language data for clinical use. The usefulness of connected speech (CS) markers has not yet been established in a diagnostic perspective focused on biomarkers. To this aim, the present thesis contains two phases. First, we systematically review the CS markers that best differentiate persons with AD from healthy controls. Second, we automatically extract a wide array of CS markers in a heterogenous group of PPA patients by combining expert knowledge and the latest natural language processing software. A machine-learning classification approach identifies PPA patients for the presence of underlying AD pathology. The most discriminant CS features are identified. To integrate the two phases of the thesis, we provide a general introduction with the following sections: the pathophysiology of AD and PPAs, the growing importance of biomarkers in clinical decision-making for neurodegenerative diseases, the seminal studies of CS in neurodegenerative diseases, and the latest computational studies of CS markers in AD and PPA. Our results bring forth a multidimensional pattern (acoustic, lexical, syntactic, semantic, pragmatic) of language changes that distinguish people with AD from healthy controls, with an emphasis on lexical-semantic features. In the group of PPA patients with either positive or negative amyloid imaging, we then describe the classificatory power of a short sample of CS and show that it compares favorably to other biomarkers. We discuss the specific pattern of discriminant markers for this subgroup of patients, in particular the role of psycholinguistics.

Neuroscience / La démence de type d’Alzheimer est la plus commune des démences. Elle entraîne un déclin dans les capacités cognitives et fonctionnelles, se traduisant dans des difficultés au niveau de la prise de décision, de l’accomplissement de tâches quotidiennes, de la communication ainsi qu’au niveau de la mémoire et de l’attention. On remarque également une diminution de l’état émotionnel et une apathie chez ces patients. Ce mémoire explore une nouvelle approche pour atténuer les effets psychologiques et cognitifs de la maladie. Les recherches effectuées dans ce mémoire explorent les impacts cognitifs et les effets sur le bien-être d'une intervention utilisant la réalité virtuelle sur les personnes souffrant de déclin cognitif subjectif. Deux environnements virtuels ont été testés : le premier étant un environnement dans lequel le participant voyage en train à travers différents climats, et le second étant un environnement de musicothérapie qui s’adapte en fonction de la réponse émotionnelle du participant. Pour mesurer les impacts sur l'état affectif, des lectures électroencéphalographiques ont été prises et analysées afin de déduire l'émotion ressentie par le participant avant, pendant et après l'expérience. Les résultats montrent une amélioration générale de l'état émotionnel pour les deux environnements. Quant à la mesure des effets sur les fonctions cognitives, des tâches d'attention et de mémoire ont été effectuées par les participants avant et après l'immersion. Les résultats montrent une légère amélioration des capacités d'attention et une meilleure amélioration de la mémoire. Nous approprions cet écart dans l'expérience de musicothérapie à l'activation musicale d'un réseau de structures cérébrales impliquées dans les expériences agréables : le circuit de récompense. Nous proposons que la musique facilite la rétention de la mémoire chez les personnes souffrant de démence. En effet, les résultats de l’amélioration des fonctions cognitives pour les deux expériences précédentes dépendent fortement de la précision de l'outil de mesure cognitive utilisé pour évaluer les performances d'attention et de mémoire avant et après l'intervention. Pour assurer cette précision, ce mémoire présente un outil de mesure des performances cognitives basé sur des tâches cognitives qui ont montré à plusieurs reprises leur fiabilité. Cet outil d’adresse aux personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer pré-clinique et diagnostiquée. / Alzheimer’s disease is an irreversible disease which causes progressive memory loss and cognitive decline, eventually leading to severe inability to perform basic day-to-day tasks. The urgency to find an effective cure to the disease is crucial, as the medical and economical spin-offs could be disastrous. The present thesis explores a novel approach to help attenuate the psychological and cognitive effects of the disease. The research carried out for this thesis explored cognitive effects and impacts on overall well-being of a virtual reality intervention on people suffering from subjective cognitive decline. Two virtual environments were tested: the first being an environment in which the participant travels through different climates by train, and the second being a music therapy environment modified as a function of emotional response. To measure the effects on affective state, electroencephalography readings were taken and analyzed to infer the emotion felt by the participant before, during the experiment. Results show a general improvement in emotional state. To measure the effects of the environments on cognitive functions, attention and memory tasks were carried out by the participants before and after the immersion. Results show a small improvement in attention skills and a more substantial improvement in memory skills. We appropriate this discrepancy in the music therapy experiment to the musical activation of a network of brain structures involved in rewarding and pleasurable experiences. We propose that music could facilitate memory retention in people sufferance for dementia. Importantly, the results of the previous experiments rely heavily on the accuracy of the cognitive measurement tool used to evaluate attention and memory performances before and after the intervention. To provide this accuracy, this thesis presents a cognitive performance measurement tool based on cognitive tasks which have repeatedly shown to output reliable results. This tool is created to serve for people with pre-clinical Alzheimer’s disease and diagnosed Alzheimer’s disease. Additionally, this tool is designed in such a way as to minimize the effects of repetition as well as varying levels of education and language. This thesis presents a novel and promising research in the realms of computer sciences and health care.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative dévastatrice qui touche un grand nombre de personnes. Elle entraîne des troubles de la mémoire et, éventuellement, une perte complète des fonctions cognitives. Le peptide amyloïde-β (Aβ) et la protéine associée aux microtubules tau sont généralement associés à la perte progressive de la mémoire. Dans les stades précoces, la MA se caractérise par une perturbation générale de l'efficacité synaptique. Les effets perturbateurs d'Aβ sur la plasticité à long terme sont bien documentés, par contre nos connaissances des effets immédiats du peptide sur la transmission synaptique sont limitées. Mon hypothèse est qu’Aβ ne nécessite pas une période prolongée pour promouvoir des changements de la transmission synaptique et qu’il peut modifier la fonction synaptique même après une exposition aiguë. Dans l’étude I, je test cette hypothèse à l’aide d’une exposition aiguë d'oligomères Aβ sur des tranches organotypiques d'hippocampe. Mes résultats indiquent qu’Aβ favorise une dépression synaptique sur les neurones pyramidaux hippocampiques avec une cinétique relativement rapide. Je démontre également que la dépression synaptique dépend de l'activation des récepteurs NMDA (NMDAR), mais ne dépend pas du flux d'ions à travers son canal ionique. Puisqu’il a été démontré que l'activation des NMDAR entraîne la phosphorylation de tau, il est plausible qu’Aβ modifie l'excitabilité des neurones en modulant la phosphorylation de cette protéine. Étant donné que les NMDAR jouent un rôle important dans la plasticité synaptique à long terme, cette chaîne d’événements moléculaires pourrait contribuer aux déficits de plasticité observés dans les phases initiales de la MA. Mon hypothèse est qu’Aβ modifie l’activité synaptique en modulant la phosphorylation de tau. Pour tester cette hypothèse, j’induis, dans des neurones de tranches de l’hippocampe, l’expression de formes de tau contenant des mutations qui bloquent la phosphorylation de la protéine aux sites ciblés. Dans l’étude II, j’observe que la phosphorylation de tau aux sites AT8 et AT180 régule l’expression de la plasticité synaptique ainsi que le dysfonctionnement de la transmission synaptique induits par les oligomères d’Aβ. Je démontre aussi que la phosphorylation du site PHF-1 ne contribue pas à la régulation de la plasticité et de la transmission synaptique. Puisque les sites AT8 et AT180 régulent l’interaction de la protéine tau avec la tyrosine kinase Fyn, mes résultats suggèrent que l’interaction entre tau et Fyn est importante pour l’expression de la plasticité synaptique et de la dépression favorisées par les oligomères d’Aβ. En effet, je démontre que l’inhibition de l’activité de la kinase Fyn résulte en un blocage de la dépression synaptique à long terme et un sauvetage de la fonction synaptique en présence d’Aβ. Je conclus que la phosphorylation de la protéine tau à des sites spécifiques est indispensable à l’expression de la plasticité synaptique et j’émets l’hypothèse que les oligomères d’Aβ modifient l'activité synaptique en influençant la stabilité du complexe Fyn-tau. Je propose donc que la perturbation de la stabilité de ce complexe peut être utilisée en thérapie pour inverser les déficits synaptiques dans les stades précoces de la MA. / Alzheimer disease is the most common form of dementia; it is characterized by problems in memory formation, which with time leads to a complete loss of cognitive functions. The peptide amyloid-β (Aβ) and the microtubule-associated protein tau are commonly believed to be responsible for the decline in memory formation. In the early stages of AD, this is thought to happen through a general disruption in synaptic efficiency. The disruptive effects of Aβ on long-term plasticity are well documented; however, little is known about the immediate effects of the peptide on synaptic transmission. My hypothesis is that Aβ does not need a prolonged period to promote changes in synaptic transmission, and that the peptide is able to affect synaptic function even after an acute exposure. In study I, I investigate this hypothesis using an acute exposure of Aβ oligomers to organotypic hippocampal slices. I report that Aβ promotes synaptic depression on hippocampal pyramidal neurons with a fairly rapid kinetic. I also show that the synaptic depression is dependent on the activation of the NMDAR, but independent on the ion flux through the channel. Because it was shown that the activation of the NMDAR leads to phosphorylation of tau, it appears feasible that Aβ modifies neuronal excitability by modulating tau phosphorylation. Since the NMDAR plays a critical role in the induction of long-term plasticity, this cascade of events could contribute to the deficits in plasticity observed during the initial stages of AD. My hypothesis is that Aβ modifies synaptic activity by modulating phosphorylation on tau. To test this hypothesis, I express in hippocampal neurons tau mutants in which phosphorylation on specific sites is blocked. In study II, I report that phosphorylation on tau at the AT8 and AT180 sites regulates the expression of synaptic plasticity as well as the dysfunction in synaptic transmission induced by Aβ oligomers. I also show that phosphorylation at the PHF-1 site is not involved in mediating either effects. Since the AT8 and AT180 sites regulate the interaction of tau protein with the tyrosine kinase Fyn, my results suggested that the interaction between tau and Fyn is important for the expression of synaptic plasticity and the depression mediated by Aβ oligomers. Indeed, I show that inhibiting the activity of Fyn kinase results in a block of LTD and a rescue of synaptic function in presence of Aβ. I conclude that phosphorylation of tau at specific sites is mandatory for the expression of synaptic plasticity, and suggest that Aβ oligomers promote changes of synaptic activity by influencing the stability of the tau-Fyn complex. I therefore propose that disrupting the stability of this complex can be exploited therapeutically to rescue synaptic deficits in the initial stages of AD.

Les symptômes neuropsychiatriques (SNP), des perturbations comportementales et psychologiques, surviennent fréquemment dans la démence de la maladie d’Alzheimer. En plus d’être un facteur de risque d’institutionnalisation précoce et de constituer une charge pour les aidants, ils peuvent aussi être associés à un déclin cognitif accéléré ou à des troubles cognitifs plus importants lorsqu’ils surviennent dans les stades pré-démentiels des maladies (avant ou pendant le trouble cognitif léger). Considérant la diversité des résultats d’études antérieures, la relation entre ces SNP, le déclin cognitif et la survenue/évolution des maladies neurodégénératives est encore pleine de mystères. En effet, il a pu être mis en évidence que la dépression, l’apathie, ou encore l’anxiété étaient des facteurs de risques de conversion en maladie d’Alzheimer, ou de déclin cognitif accéléré chez des individus ayant un trouble cognitif léger ou une cognition normale. Ils ont aussi pu être associés à des changements des structures ou du métabolisme cérébraux, limbiques et associatifs. Cependant, le rôle et la position exacte des SNP dans le décours temporel des maladies restent incertains : conséquences de la neurodégénérescence ? Conséquence psychologique de la survenue de troubles cognitifs ? Cause de troubles cognitifs par réorientation des ressources exécutives et comportementales ? Stade prodromal des maladies ? Conséquence d’une structure de personnalité antérieure ? Ce travail propose d’aborder différentes problématiques de recherches liées aux SNP, notamment leurs associations cognitives en fonction de facteurs démographiques, psychologiques ou psychiatriques dans différents stades de déclins cognitifs ; leurs associations neurostructurelles ou métaboliques cérébrales, en devis transversal, rétrospectif ou longitudinal. L’objectif étant de conforter certaines données de la littérature sur l’impact des SNP sur les performances cognitives et leur évolution dans le vieillissement normal et pathologique, et comprendre l’apport de certaines analyses prédictives et de facteurs de risques afin d’en dégager des pistes d’applications cliniques dans une visée d’anticipation du déclin cognitif. Pour cela, différentes bases de données sont traitées afin d’extraire différents types de variables d’intérêt (démographiques, neuropsychiatriques, neuropsychologiques, neuroimagerie, statuts génétiques et diagnostiques, facteurs psychologiques…). Au total, c’est près de 5000 participants qui ont été extraits et analysés au travers des différentes bases de données. Les principaux résultats ont permis de montrer : 1) des associations SNP/performances cognitives différentes entre les femmes et les hommes ; 2) des relations neurostructurelles différentes entre les SNP et les différents stades de déclin cognitif de la maladie d’Alzheimer ; 3) le rôle prédictif des SNP dans la conversion du trouble cognitif léger en maladie d’Alzheimer expliqué par l’altération des habiletés fonctionnelles des individus ; 4) des implications de traits de personnalité dans le déclin cognitif et cérébral chez des individus développant ou non démence de type Alzheimer. Ces données consolident les résultats de la littérature et soutiennent l’utilité de certains modèles statistiques et de prédictions dans l’établissement des facteurs de risques de déclin et l’estimation de l’importance du déclin basé sur ces facteurs, à la fois chez des individus cognitivement sains, et des individus à risque de développer une démence. / Neuropsychiatric symptoms (NPS), behavioral and psychological disturbances, occur frequently in Alzheimer's dementia. In addition to being a risk factor for early institutionalization and a burden to caregivers, they may also be associated with accelerated cognitive decline or greater cognitive impairment when they occur in the pre-dementia stages of the diseases (before or during mild cognitive impairment). Considering the diversity of results of previous studies, the relationship between these NPS, cognitive decline and the occurrence/evolution of neurodegenerative diseases is still full of mysteries. Indeed, it has been shown that depression, apathy, or anxiety were risk factors for conversion to Alzheimer's disease, or for accelerated cognitive decline in individuals with mild cognitive impairment or normal cognition. They could also be associated with changes in brain, limbic and associative structures or metabolism. However, the exact role and position of NPS in the temporal course of diseases remains uncertain: consequences of neurodegeneration? Psychological consequence of the onset of cognitive disorders? Cause of cognitive disorders by redirection of executive and behavioral resources? Prodromal stage of diseases ? Consequence of a previous personality structure? This work proposes to address different research issues related to NPS, in particular their cognitive associations according to demographic, psychological or psychiatric factors in different stages of cognitive decline; their neurostructural or cerebral metabolic associations, in crosssectional, retrospective or longitudinal specifications. The objective is to confirm certain data in the literature on the impact of NPS on cognitive performance and its evolution in normal and pathological aging, and to understand the contribution of certain predictive analyses and risk factors in order to identify avenues of clinical application with a view to anticipating cognitive decline. For this purpose, different databases are processed in order to extract different types of variables of interest (demographic, neuropsychiatric, neuropsychological, neuroimaging, genetic and diagnostic status, psychological factors...). In total, nearly 5000 participants were extracted and analyzed through the different databases. The main results showed: 1) different NPS/cognitive performance associations between women and men; 2) different neurostructural relationships between NPS and different stages of cognitive decline in Alzheimer's disease; 3) the predictive role of NPS in the conversion of mild cognitive impairment to Alzheimer's disease explained by the alteration of individuals' functional abilities; 4) implications of personality traits in cognitive and brain decline in individuals developing or not dementia of the Alzheimer’s type. These data consolidate the findings of the literature and support the utility of certain statistical and predictive models in establishing risk factors for decline and estimating the magnitude of decline based on these factors, both in cognitively healthy individuals, and individuals at risk of developing dementia.

Contexte. La démence est un problème de santé publique important. Toutefois, les stratégies actuelles en matière de santé publique ne tiennent pas compte des approches visant à renforcer les facteurs de protection pour en réduire le fardeau. Cela peut s’expliquer par le fait que le renforcement des facteurs de protection est un domaine de connaissance émergent. Son vocabulaire et ses notions de base sont encore en phase d’exploration et de définition. Parmi les termes et les notions à développer, citons la « santé positive » comme résultat du renforcement des facteurs de protection et les « atouts de santé », en tant que déterminant positif de la santé. Le développement de ces termes en promotion de la santé et leur adaptation pour les études sur la santé du cerveau contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes permettant aux aînés de préserver leur santé cognitive, et donc ouvriront les portes à de nouvelles stratégies pour réduire le fardeau associé aux démences. L’objectif. Cette thèse vise à proposer un modèle pour l’étude de la santé cognitive des personnes âgées et à le tester dans une large base de données populationnelle. Pour atteindre cet objectif, nous avons i) dérivé la signification du terme de santé positive en examinant systématiquement la façon dont le concept est défini/utilisé par différents auteurs dans des publications sur la promotion de la santé ; ii) révisé les modèles existants de déterminants « positifs » de la santé (« modèles d’atouts de santé ») et proposer un nouveau modèle d’atouts de santé ; iii) discuté l’utilité du modèle pour la recherche sur la santé cognitive des personnes âgées, et iv) évalué l’apport indépendant des atouts de santé dans la probabilité d’une santé cognitive positive chez les personnes âgées, à l’aide du model développé. Méthodes. Un examen de la portée a été effectué pour atteindre les objectifs 1 et 2 ; une revue narrative a été réalisée pour atteindre les objectifs 3. L’analyse secondaire des données de l’étude de cohorte longitudinale « Survey on Health, Aging, and Retirement in Europe », vagues 5 et 7, a été réalisée pour atteindre l’objectif 4. Dans cette étude, les déterminants positifs avaient un effet indépendant sur la santé cognitive si i) leurs variables étaient statistiquement significatives dans le modèle entièrement ajusté et ii) ces variables améliorent significativement l’ajustement de la qualité du modèle. Résultats. 1) Aucun consensus sur la définition de la santé positive n’a été trouvé dans la littérature. Parmi les définitions proposées, il y a « bien-être », « extrêmement bonne santé », « résilience » et « capacités ». Nous avons proposé de définir la santé positive comme une réserve en capacités, permettant une plus grande résistance face aux agents pathologiques/adversités et un plus grand bien-être en leur absence. 2) Dans la littérature, des déterminants de la santé positive sont regroupés autour de traits individuels ou de caractéristiques environnementales. Nous avons proposé un nouveau cadre pour les atouts de santé. Dans ce cadre, les caractéristiques individuelles, les actions (orientées vers l’autodéveloppement ou le développement communautaire), les environnements (physique and social) et le soutien social (informel et institutionnalisé) sont interconnectés. Chaque composante précédente contribue à la suivante et à une santé positive. 3) L’état actuel des connaissances sur la santé cognitive permet l’opérationnalisation de la définition de la santé positive cognitive ainsi que du modèle des atouts de la santé. 4) Les variables de trois des quatre groupes d’atouts de santé (caractéristiques individuelles, actions et environnements) démontrent une contribution indépendante à la probabilité d’une santé cognitive positive chez les personnes âgées. L’inclusion des atouts de santé améliore significativement la qualité de l’ajustement du modèle : le pseudo-R-carré a augmenté de 0,31 à 0,33 ; l’aire sous la courbe ROC a augmenté de 77,8 % à 79,5 %, p<0,0001. Cela signifie que les atouts de santé expliquent davantage la probabilité de santé cognitive positive. Conclusion. L’étude sur les facteurs renforçant la santé cognitive pourrait aux nouvelles opportunités pour la diminution du fardeau de démence. Une validation plus poussée du modèle est nécessaire. Premièrement, des indicateurs plus spécifiques d’atouts de santé doivent être trouvés. Deuxièmement, les relations entre les groupes d’atouts de santé devraient être clarifiées. / Background. Dementia is a significant public health challenge; however, current strategies on public health hardly consider the potential of reinforcing protective factors to diminish its burden. A possible reason for this is that reinforcing protective factors represent an emerging field of knowledge. Its vocabulary and basic notions are still under development. Among the terms and notions needing further discussion are “positive health” as the outcome of these reinforcing protective factors and “health assets” as positive health determinants. Advances in the development of these terms in health promotion and their further adaptation to the realm of studies on cognitive health will contribute to a better understanding of how older adults maintain it, which, in turn, could open the doors to new strategies aimed at reducing the burden of dementia. Objective. This dissertation proposes a model for studying cognitive health in older adults and testing it in a large populational database. To achieve this objective, i) we derived the meaning of the term positive health by systematically reviewing how the concept is defined/used by different authors of publications in health promotion; ii) we revised existing models of “positive” determinants of health (“health assets models”) and proposed a new model of health assets; iii) discussed the utility of the model for research on cognitive health of older adults, and iv) we assessed the independent input of health assets into the probability of positive cognitive health among older adults, using developed model. Methods. A scoping review was conducted to achieve objectives 1 and 2, and a narrative review was conducted to achieve objective 3. Secondary analyses of the longitudinal cohort data “Survey on Health, Aging, and Retirement in Europe” data, waves 5 and 7, were performed to achieve objective 4. In this study, determinants were considered as having an independent effect on cognitive health if i) their variables were statistically significant in the fully adjusted model and ii) these variables significantly improved the model’s fit quality. Results. 1) No consensus on the definition of positive health was found in the literature. Among proposed definitions, there were “well-being,” “extremely good health,” “resilience,” and “capacities.” We proposed to define positive health as a reserve in capacities, enabling higher resistance in the face of pathologic agents/adversities and increased well-being in their absence. 2) In the literature, the determinants of positive health are grouped around individual traits or environmental characteristics. We proposed a new health assets framework. In it, individual characteristics, actions (directed to self-development or community development), environments (physical and social), and social support (informal and institutionalized) are interconnected. Each component contributes to the others and positive health. 3) The current state of knowledge on cognitive health allows operationalizing the definition of cognitive positive health and the elements of the health assets model. 4) Variables of three out of four groups of health assets (individual characteristics, actions, and environments) had independent relationships with the probability of cognitive health in older adults. Including health assets significantly improves the model’s fit statistics: pseudo-R-square increased from 0.31 to 0.33; area under ROC rose from 77.8% to 79.5%, p <0.0001. It means that positive health assets bring additional information on the probability of positive cognitive health in older adults. Conclusion. Studying health assets could open the doors to strategies to reduce the burden of dementia. Further validation of the model is required. Firstly, more specific indicators of health assets need to be found. Secondly, the relationships between health asset groups should be clarified.