Au-delà des symptômes moteurs, la maladie de Parkinson (MP) est également caractérisée par une myriade de symptômes neuropsychiatriques allant de l’apathie et la dépression aux troubles du contrôle des impulsions (TCI). Les TCI représentent un groupe d’addictions comportementales incluant le jeu pathologique, l’hypersexualité et les achats faits de manière compulsive. Observés chez 10 à 14 % des patients parkinsoniens sous traitement dopaminergique, ils affectent fortement leur qualité de vie. L’impulsivité cognitive reflétant notamment l’incapacité à tolérer les délais de renforcements, est au cœur des TCI. En effet, différentes études suggèrent que cette impulsivité serait exacerbée dans la MP et sous traitements dopaminergiques. Cependant, les mécanismes sous-tendant les TCI dans la MP demeurent méconnus, et la contribution respective de la lésion, du traitement dopaminergique, et de certains facteurs de vulnérabilité reste à déterminer. De plus, l’impulsivité d’attente, une autre forme de déficit d’inhibition qui peut conduire au développement de comportements compulsifs, a été peu étudiée dans le cadre des TCI.L’objectif de ce projet de thèse a été d’évaluer l’influence d’une dénervation dopaminergique de la voie nigrostriée, avec ou sans adjonction d’agoniste dopaminergique, sur le développement d’impulsivité. Pour cela, nous avons utilisé un modèle lésionnel des troubles non-moteurs de la MP. Ces rats ont reçu une injection bilatérale de neurotoxine 6-OHDA dans la SNc, afin d’induire une dénervation sélective, bilatérale et partielle du striatum dorsal. Ils ont ensuite été traités avec du pramipexole, un agoniste des récepteurs D2/3, connu pour favoriser le développement de TCI chez les patients parkinsoniens. Les tâches d’intolérance au délai et de réaction en série à 5 choix (5-CSRTT) ont été utilisées pour évaluer respectivement l’impulsivité cognitive et l’impulsivité d’attente. Dans le premier paradigme, les rats doivent appuyer sur un levier pour choisir entre une petite récompense immédiate, ou une plus grosse récompense, avec un un délai. Dans le second paradigme, ils doivent inhiber l’émission d’une réponse motrice jusqu’à l’apparition d’un stimulus lumineux. Le traitement chronique au pramipexole augmente considérablement les choix impulsifs effectués dans la tâche d’intolérance au délai, mais seulement chez les rats non lésés. En effet, la lésion dopaminergique seule ou avec le traitement ne favorise pas les comportements impulsifs. Dans la tâche de 5-CSRTT, le pramipexole semble également promouvoir l’émission de réponses prématurées (effet pro-impulsif), lorsque l’intervalle inter-essais est constant. Cependant, lorsque cet intervalle augmente, le pramipexole provoque à l’inverse une diminution des réponses prématurées (effet anti-impulsif). Cette modulation d’impulsivité étant seulement observée chez les rats hautement impulsifs, ceci suggère qu’un endophénotype impulsif puisse être un facteur de vulnérabilité à l’effet iatrogène du pramipexole.A l’échelle neuronale, ce traitement favorise la surexpression des ARNm codants pour les récepteurs dopaminergiques D2 dans le striatum et y modifie la connectivité glutamatergique telle qu’observée en microscopie électronique. De plus, nous avons observé une suractivation de la voie mTORC1 dans le noyau accumbens, comme déjà constaté dans les processus addictifs. Afin d’apporter un lien causal à cette étude, nous avons bloqué l’activité de la voie mTORC1 par un inhibiteur spécifique, la rapamycine, chez des rats traités au pramipexole. Etonnamment, cette combinaison accentue fortement l’intolérance au délai, alors que la rapamycine seule ne provoque aucun effet notable. Ceci pourrait s’expliquer par une cinétique d’activation et d’inhibition complexe de cette voie. L’ensemble de ces résultats suggère que l’impulsivité observée dans la MP serait causée par une action iatrogène du pramipexole via une activation anormale de la voie mTORC1 dans le noyau accumbens. / Beyond motor symptoms, Parkinson’s disease (PD) is also characterized by a plethora of neuropsychiatric deficits, ranging from apathy and depression to Impulse control disorders (ICDs). ICDs represent a complex group of behavioral addictions including gambling disorders, hypersexuality and compulsive shopping, displayed by 10 to 14% of PD patients under dopamine replacement therapies, whose quality of life is greatly diminished. Importantly, cognitive impulsivity reflecting in particular, an inability to tolerate delays to reinforcements, appears as a core symptom of ICDs. Indeed, recent evidence suggested that this kind of impulsivity would be exacerbated in PD and under treatment by dopaminergic D2/3 receptor agonists. However, the mechanisms underlying ICDs in PD remain unknown and the respective contribution of dopamine lesion and treatment, combined with factors of vulnerability, remain to be determined. Moreover, waiting impulsivity, another form of behavioral inhibition which may lead to compulsive behaviors, has been poorly investigated in the framework of ICDs.In this thesis project, using a lesional rodent model of non-motor symptoms of PD, we addressed the question of whether denervation of the dopaminergic nigrostriatal system would promote the development of impulsivity when combined with dopamine agonist treatments. Rats were bilaterally injected in the SNc with the neurotoxin 6-OHDA to induce selective and partial denervation of the dorsal striatum. We then treated them with the dopamine D2/3 receptor agonist, pramipexole, a medication known to favor the development of ICDs in PD patients. Two different tasks were used to measure cognitive and motor impulsivity: the delay discounting task (DDT) and the 5-choice serial reaction time task (5-CSRTT) respectively. In the former, rats have to press a lever and choose between a smaller, but immediate reward and a larger, but delayed reward. For the latter, they have to wait for a stimulus light to come on. In the DDT, chronic administration of pramipexole treatment only increased impulsive choices in non-lesioned rats. Indeed, the dopaminergic lesion by itself, or in adjunction with the treatment, did not increase impulsivity. In the 5-CSRTT, pramipexole progressively increased premature responses, reflecting a pro-impulsive effect when the inter-trial interval is constant. However, when the interval was increased, pramipexole reduced the premature responses, exhibiting an anti-impulsive effect. Interestingly, this modulation of motor impulsivity was only observed in rats with a high level of impulsivity, suggesting that an impulsive endophenotype might be an important factor of vulnerability to the iatrogenic effects of pramipexole.The effect of this treatment was then investigated at a cellular level. It promotes overexpression of the dopamine D2 receptor mRNA within the striatum, and seems to alter glutamatergic synaptic connectivity suggested by electron microscopy. Moreover, we showed that the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) pathway is lastingly over-activated in the nucleus accumbens, as already observed in drug addictions. In an attempt to make a causal link between this pathway and the behavioral changes, we treated rats with pramipexole and rapamycine, a specific inhibitor of this pathway. Surprisingly, this combination accentuated impulsivity even more, whereas rapamycine by itself did not promote impulsivity. This effect may be explained by the complexity of the kinetics of activation and inhibition of mTORC1 pathway.Taken together, these results suggest that impulsivity in PD may be triggered by an iatrogenic effect of the dopaminergic pramipexole treatment through an abnormal activation of the mTORC1 pathway within the nucleus accumbens.

Les neurones dopaminergiques (DA) du mésencéphale jouent un rôle clé dans le contrôle moteur, les comportements motivés et la cognition. Les neurones dopaminergiques peuvent libérer la DA non seulement à partir de leurs terminaisons axonales, mais également à partir de leur compartiment somatodendritique (STD). Une partie de cette libération dépend de l’activité électrique des neurones (libération phasique de DA), de l’influx de calcium et de l’activation de senseurs calciques, tandis que d’autres formes de libération impliquent l’activation locale d’afférences synaptiques en provenance d’autres neurones ou survient de manière spontanée. Les mécanismes et rôles physiologiques de ces différentes formes de libération sont encore méconnus. Dans cette thèse, je me suis intéressé spécifiquement à la libération phasique de dopamine et au rôle joué par les senseurs calciques régulateurs de l’exocytose de la famille des synaptotagmines (Syts). En utilisant des modèles in vivo de souris knock-out de certaines isoformes de cette famille, j’ai ainsi démontré que Syt1 est la principale isoforme impliquée dans la libération phasique de dopamine au niveau des terminaisons axonales, tandis que les isoformes Syt4 et Syt7 jouent un rôle plus spécifique dans la libération au niveau du soma et des dendrites. La souris Syt1 cKODA a par ailleurs révélé l’exceptionnelle résilience de certaines fonctions dopamino-dépendantes, notamment dans le contrôle de la locomotion spontanée et induites par des drogues, qui sont surprenamment conservées dans un contexte de quasi-abolition de la libération phasique de DA. Des adaptations importantes du système DA ont été observées chez les souris Syt1 cKO et sont comparables à celles observées dans les stages précoces de la maladie de Parkinson. Ces travaux apportent ainsi un nouvel éclairage sur pourquoi une perte drastique de l’innervation dopaminergique est requise pour aboutir aux symptômes moteurs typiques de cette maladie. Ils apportent également de nouvelles perspectives et modèles à l’étude des mécanismes et fonctions de la libération tonique (spontanée) de DA dans le cerveau. / Dopaminergic (DA) neurons in the midbrain play a key role in motor control, motivated behaviors and cognition. Dopaminergic neurons can release DA not only from axon terminals, but also from their somatodendritic compartment (STD). Part of this release depends on electrical activity (phasic release of DA), calcium influx and activation of calcium sensors, while other forms of release involve local activation of synaptic inputs from other neurons or occurs spontaneously. The mechanisms and physiological roles of these different forms of release are still poorly understood. In this thesis, I focused on the phasic release of DA and the role played by calcium sensors from the synaptotagmin (Syt) family regulating exocytosis. By using in vivo knockout mouse models of isoforms from this family, I demonstrated that Syt1 is the main calcium sensor involved in phasic DA release at axonal endings, while the Syt4 and Syt7 isoforms play a more specific role in the release at the level of the soma and dendrites. Syt1 cKODA model also revealed the exceptional resilience of certain DA-dependent functions such as spontaneous and drug-induced locomotion, which are surprisingly preserved in a context of a near abolition of phasic DA release. Important adaptations in the DA system were observed in Syt1 cKO mice and are comparable to those seen at early stages of Parkinson's disease. This work thus sheds new light on why a drastic loss of dopaminergic innervation is required to lead to the motor symptoms typical of this disease. They also bring new perspectives and models to the study of the mechanisms and functions of tonic (spontaneous) DA release in the brain.

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui présente, parmi ces symptômes, une importante inflammation, rapportée tant au niveau du système nerveux central qu’en périphérie. De plus, certains des gènes causant des formes familiales de la MP, soit PINK1 et PRKN, sont impliqués dans la prévention de la présentation des antigènes mitochondriaux (MitAP), un phénomène à risque d’enclencher une réponse auto-immune. Ce travail avait donc pour but d’investiguer la contribution des processus auto-immuns et inflammatoires périphériques dans l’étiologie de la MP, en portant une attention particulière aux phénomènes impliquant la mitochondrie. La quantification des ARNm de PINK1 et PRKN a permis de déterminer que l’expression de ces deux gènes pouvait être inhibée lors de l’activation – par l’exposition au lipopolysaccharide (LPS) ou à l’Escherichia coli entéropathogène (EPEC) – de certaines cellules présentatrices d’antigènes, soit les cellules dendritiques dérivées de monocytes (MDDC). L’expression de PRKN était également inhibée au cours du vieillissement dans les cellules mononucléées du sang périphérique. L’étude des lymphocytes T présents dans la circulation sanguine a permis l’identification d’une population de cellules T CD8+ IL-17+ (Tc17) pouvant être activées par des antigènes mitochondriaux chez les patients avec MP. Les MDDC furent également identifiées comme étant d’importantes régulatrices de l’inflammation, car les cellules des patients avec MP présentaient un profil d’expression spécifique, caractérisé par une surproduction de cytokines pro-inflammatoires. Leur réponse cytokinique était influencée par le vieillissement et correspondait à un profil pouvant faciliter la polarisation des lymphocytes T CD4+ vers le sous-type Th17, lié aux maladies auto-immunes. Nos résultats, dans leur ensemble, supportent l’implication de mécanismes auto-immuns dans le développement de la MP. / Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disease which is accompanied by a strong inflammation, present both in the central nervous system and the periphery. Moreover, genes PINK1 and PRKN, which are causative of familial forms of PD, are implicated in the inhibition of mitochondrial antigen presentation (MitAP), a phenomenon which acts as a potential trigger for an autoimmune response. This work’s aim was to investigate the contribution of peripheral autoimmune and inflammatory processes in the etiology of PD, with a particular focus on phenomena implicating the mitochondria. Quantification of PINK1 and PRKN mRNA allowed us to determine that both genes could be inhibited by the activation – through lipopolysaccharide (LPS) or Enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) exposition – of specific antigen-presenting cells, the monocyte-derived dendritic cells (MDDC). The expression of PRKN was also inhibited during the aging process in peripheral blood mononuclear cells. Through the investigation of T lymphocytes present in PD patients’ circulation, we identified a population of T CD8+ IL-17+ (Tc17) cells which could be activated by mitochondrial antigens. Furthermore, the MDDC were identified as a major contributor to inflammation since PD patients’ cells presented a specific expression profile characterized by an over-production of pro-inflammatory cytokines. This response was age-associated and corresponded with a pro-Th17 polarization of T CD4+ lymphocytes, a subtype which has been linked with autoimmune diseases. Taken together, our results support an implication of autoimmune mechanisms in the development of PD.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Dans les dernières années, les recherches scientifiques portant sur le vieillissement neuropsychologique ont mis en évidence la présence de déficits cognitifs bien avant que le diagnostic clinique de la démence ne puisse être porté. La condition des Troubles Cognitifs Légers (TCL) constituerait ainsi une phase intermédiaire entre le vieillissement normal et le vieillissement pathologique. L'intérêt de la reconnaissance précoce des TCL réside en grande partie dans la possibilité d'offrir différents types de traitement potentiellement susceptibles de ralentir l'évolution vers la démence. Considérant le nombre croissant de personnes atteintes de dysfonctions cognitives variées, jumelé au peu de ressources disponibles pour les évaluer, avoir accès à un outil de dépistage cognitif efficace, capable de contribuer également au diagnostic différentiel à un stade débutant de la maladie, constituerait un atout de taille. La présente thèse doctorale s'inscrit dans cette volonté de plus en plus pressante de détecter précocement les désordres cognitifs associés au vieillissement, et plus spécifiquement par le biais de la Mattis Dementia Rating Scale (MDRS-2). Elle se divise en cinq chapitres, chacun tentant de répondre à un objectif particulier. Le chapitre I introduit brièvement les notions cliniques pertinentes et certains tests de dépistages cognitifs déjà répandus pour le diagnostic de la démence. Ensuite, le chapitre II fait état d'une revue systématique de l'utilité clinique de ces derniers en lien avec la détection des TCL comme phase pré-clinique de la maladie d'Alzheimer (MA). Des données rétrospectives portant sur la MDRS-2 y sont également présentées. Le chapitre III présente, sous forme d'article scientifique, les résultats obtenus quant à la validité clinique de la MDRS-2 pour la détection des TCL et de la démence associée à la maladie de Parkinson (D-MP). Quant au chapitre IV, il réfère à un autre article scientifique rapportant les résultats sur la capacité de la MDRS-2 à contribuer au diagnostic différentiel des phases pré-cliniques de la MA et de la D-MP. Finalement, le cinquième et dernier chapitre du présent ouvrage se veut une discussion générale et critique de l'ensemble des résultats et connaissances acquises au cours de la réalisation de cette thèse doctorale, tout en proposant des perspectives de recherches futures.

Introduction : La littérature sur l’innovation responsable en santé et en recherche participative encourage l’implication des utilisateurs finaux des technologies dès leur conception, mais manque de documentation sur les méthodes pour les impliquer efficacement. À l’occasion du développement de technologies intra-auriculaires (TIA) intégrant l’intelligence artificielle pour la détection et le monitorage de la maladie de Parkinson (MP), une approche participative, a été adoptée par l’équipe de recherche dans le but de co-créer un protocole de pilotage des TIA. Ce mémoire vise à documenter cette pratique collaborative et à en explorer les retombées ainsi qu’à étudier la faisabilité et l’acceptabilité du protocole de recherche co-développé. Méthodologie : Trois personnes avec la maladie de Parkinson (PMP), une proche aidante (PA) et une orthophoniste ont été recrutées pour le co-développement du protocole de recherche. Le processus collaboratif consiste à réaliser trois cafés scientifiques (CS) pour l’augmentation de la littératie en technosanté, suivis d’une table ronde (TR) de co-construction du protocole. Avant et après chaque CS, les participants remplissaient un questionnaire sur leur niveau de connaissances du sujet abordé. Après la TR, les participants ont rempli un questionnaire sur l’utilité perçue des CS et ont participé à une entrevue semi-dirigée portant sur leur expérience. Finalement, 3 PMP et une PA ont été recrutés pour expérimenter les TIA. À la fin de l’expérience, ils ont rempli un questionnaire sur l’acceptabilité des technologies portables et ont participé à une entrevue post-expérience pour étudier l’acceptabilité et l’utilisabilité des TIA. L’entrevue post-expérience a servi aussi pour étudier l’acceptabilité du protocole codéveloppé. Une analyse quantitative des questionnaires et une analyse qualitative déductive et inductive des verbatims issus des rencontres ont été menées. Résultats : La pratique collaborative déployée a permis une implication réelle des usagers malgré quelques critiques concernant la longueur du processus. L’acceptabilité et la faisabilité du protocole ont été confirmées après son expérimentation réelle. Conclusion : La pratique collaborative était une opportunité d’amélioration de la recherche malgré la présence des enjeux liés à la précocité de son adoption. / Introduction: Literature on responsible innovation in health and participative research encourages involving end-users in technology development from its inception but lacks documented methods for their engagement in early stages. In the context of developing intra-auricular technologies (IAT), integrating promising artificial intelligence for detecting and monitoring Parkinson's Disease (PD), a participative approach based on increasing health technology literacy was adopted. This approach involved PD patients (PDP), caregivers (CG), and clinicians to co-create the IAT pilot protocol. This study aims to document this collaborative practice and explore its outcomes. Methodology: Three PDP, one CG, and a speech therapist were recruited for the protocol's co-development. The collaborative process included three scientific cafes (SC) for increasing health technology literacy, followed by a Co-Construction Roundtable (CR) for the protocol. Before and after each SC, participants completed a knowledge level questionnaire. Following the CR, participants answered a survey on the perceived utility of the SC and participated in a semi-structured interview discussing their experiences. Finally, three PDP and a CG were recruited to pilot the IAT. At the experience's end, they completed a Smart Wearables Acceptance Model (SWAM) questionnaire and engaged in a post-experience interview to study the IAT's acceptance and usability. The post-experience interview also investigated the acceptability of the co-developed protocol. Quantitative analysis of surveys and deductive and inductive qualitative analysis of meeting transcripts were conducted. Results: While the SC enriched participants' knowledge and established a climate of trust promoting their active participation, they were not without criticism. Protocol acceptability was confirmed after real-world experimentation despite some challenges related to IAT acceptability and usability. Technological challenges led us to question the early inclusion of end-users in technological prototyping studies. Conclusion: Collaborative practice presented an opportunity for research improvement despite the challenges related to its early adoption.

Chez les aînés autrement en santé, les facteurs de risque vasculaires (FRV), tels que l’hypertension artérielle, le diabète sucré, l’hypercholestérolémie et le tabagisme, sont d’importants facteurs de risque pour les troubles cognitifs, les symptômes psychologiques et comportementaux ainsi que la démence. Néanmoins, il y a actuellement peu de connaissances quant aux conséquences des maladies cérébro-vasculaires et des FRV dans la maladie de Parkinson idiopathique (MP). Les troubles d’ordre neuropsychologique ont un impact considérable sur la qualité de vie des patients et de leurs proches et constituent un aspect important du tableau clinique de la MP. Par conséquent, il est crucial d’identifier les facteurs y prédisposant. Les FRV offrent plusieurs pistes d’interventions intéressantes, puisqu’ils peuvent être modifiés et traités. Ainsi, cette thèse avait pour objectifs principaux d’étudier si les FRV contribuaient aux troubles cognitifs et la démence associés à la MP, et dans l’affirmative, de préciser le profil neuropsychologique des patients MP présentant des FRV. La thèse se divise en six chapitres, chacun adressant un objectif particulier. Le Chapitre 1 introduit les principaux concepts de la problématique et présente les particularités de l’étude des conséquences neurocognitives des FRV dans le contexte spécifique de la MP. Le Chapitre 2 est une recension systématique des écrits qui a permis de faire état des connaissances actuelles sur la question, en plus de soulever les limites des études antérieures afin de guider les travaux subséquents de cette thèse doctorale. Le Chapitre 3 présente une analyse transversale incluant 139 patients MP et montre que la sévérité de l’histoire de tabagisme est associée à un fonctionnement cognitif global inférieur, même chez les patients ayant cessé de fumer, et ce, indépendamment de l’âge et du niveau d’éducation. Le Chapitre 4 présente une étude empirique basée sur la banque de données longitudinale du Parkinson’s Progression Markers Initiative (PPMI), et conclut que le nombre d’années avec un diagnostic d’hypertension artérielle ainsi qu’une pression différentielle élevée ont des effets délétères sur les mesures de mémoire épisodique et de fluidité verbale sémantique. Le Chapitre 5 détaille la dernière étude empirique de la thèse et expose les effets dommageables du fardeau vasculaire total sur les fonctions exécutives et la mémoire épisodique, à la fois dans un groupe de patients MP et un groupe de participants contrôles. Enfin, le Chapitre 6 se veut une synthèse, une mise à jour et une réflexion critique des résultats obtenus dans le cadre des travaux de cette thèse. / Vascular risk factors (VRFs) such as hypertension, diabetes mellitus, hypercholesterolemia and smoking are important risk factors for cognitive impairment, psychiatric disorders and dementia in otherwise healthy older adults. However, there is little knowledge about the influence of cerebrovascular diseases and VRFs on cognition in idiopathic Parkinson's disease (PD). Cognitive impairment and dementia are an important part of the clinical presentation of PD and have a considerable impact on the quality of life of the patients and their caregivers. Therefore, it is crucial to identify potential risk factors for neuropsychological disorders in PD. VRFs offer many possibilities for intervention in clinical settings, since they can be modified and treated. Thus, the main objectives of this dissertation were to study whether VRFs contribute to cognitive impairment and dementia associated with PD, and if so, to specify the neuropsychological profile of MP patients with VRFs. The dissertation is divided into six chapters, each addressing a particular objective. Chapter 1 introduces the main concepts of the problem and presents the specific challenges of the study of the neurocognitive consequences of VRFs in the specific context of PD pathology and treatment. Chapter 2 is a systematic and critical review of the literature that presents the current knowledge on this issue, in addition to identifying and discussing the limits of the previous studies to guide the subsequent work of this dissertation. Chapter 3 presents a cross-sectional analysis including 139 PD patients that shows that the severity of smoking history is associated with lower global cognitive functioning, even in patients who quit smoking, and regardless of age and level of education. Chapter 4 presents an empirical study based on the longitudinal database of the Parkinson's Progression Markers Initiative (PPMI), and concludes that the number of years with a diagnosis of hypertension and high pulse pressure have deleterious effects on measures of episodic memory and semantic fluency. Chapter 5 presents the last empirical study of this dissertation and shows that a higher vascular burden is independently associated with worse performance on executive functions and episodic memory, both in a group of PD patients and a group of otherwise healthy controls. Finally, Chapter 6 presents a summary, an update and a critical discussion of the results obtained over the last five years.

La maladie de Parkinson (MP) est une affection neurodégénérative invalidante et incurable. Il est maintenant clairement établi que d’importants déterminants génétiques prédisposent à son apparition. La recherche génétique sur des formes familiales de la MP a mené à la découverte d’un minimum de six gènes causatifs (SNCA, LRRK2, Parkin, PINK1, DJ-1 and GBA) et certains, par exemple LRRK2, contiennent des variations génétiques qui prédisposent également aux formes sporadiques. La caractérisation des protéines codées par ces gènes a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sousjacents. Toutefois, en dépit de ces efforts, les causes menant à l’apparition de la MP restent inconnues pour la majorité des patients. L’objectif général des présents travaux était d’identifier des mutations prédisposant à la MP dans la population canadienne-française du Québec à partir d’une cohorte composée principalement de patients sporadiques. Le premier volet de ce projet consistait à déterminer la présence de mutations de LRRK2 dans notre cohorte en séquençant directement les exons contenant la majorité des mutations pathogéniques et en effectuant une étude d’association. Nous n’avons identifié aucune mutation et l’étude d’association s’est avérée négative, suggérant ainsi que LRRK2 n’est pas une cause significative de la MP dans la population canadienne-française. La deuxième partie du projet avait pour objectif d’identifier de nouveaux gènes causatifs en séquençant directement des gènes candidats choisis à cause de leurs implications dans différents mécanismes moléculaires sous-tendant la MP. Notre hypothèse de recherche était basée sur l’idée que la MP est principalement due à des mutations individuellement rares dans un grand nombre de gènes différents. Nous avons identifié des mutations rares dans les gènes PICK1 et MFN1. Le premier code pour une protéine impliquée dans la régulation de la transmission du glutamate tandis que le second est un des acteurs-clés du processus de fusion mitochondriale. Nos résultats, qui devront être répliqués, suggèrent que le séquençage à grande échelle pourrait être une méthode prometteuse d’élucidation des facteurs de prédisposition génétiques à la MP ; ils soulignent l’intérêt d’utiliser une population fondatrice comme les canadiens-français pour ce type d’étude et devraient permettre d’approfondir les connaissances sur la pathogénèse moléculaire de la MP. / Parkinson’s disease (PD) is a complex neurological disorder with significant genetic predisposing factors which are extremely heterogeneous. Investigations of familial forms of the disorder revealed causative mutations in six different genes, namely SNCA, LRRK2, Parkin, PINK1, DJ-1 and GBA, and functional analyses of these gene products pinpointed dysfunction of key molecular pathways involved in the neurodegenerative process of the disorder. Further sequencing and genome-wide association studies indicated that some of these genes, including LRRK2, also contain variants predisposing to sporadic forms of PD. Despite these significant breakthroughs, the vast majority of PD genetic predisposing factors remain unknown. Our goal was to identify mutations predisposing to PD in the French Canadian (FC) population from a cohort mostly composed of late-onset sporadic cases. We therefore sequenced the two exons of LRRK2 that contain most of the pathogenic mutations and we performed a case-control association study. Sequencing analysis did not reveal any reported or novel mutations and the case-control association study did not provide any positive signal, thus indicating that common variants in LRRK2 are unlikely to be a significant cause of late-onset PD in the FC population. Because of the allelic and non-allelic genetic heterogeneity observed for PD, we hypothesized that dozens of genes may carry rare pathogenic mutations. The second part of this research project was therefore aimed at identifying new PD causative genes by direct sequencing of genes functionally associated with the known causative gene pathways. Our screening uncovered several rare mutations likely pathogenic in the PICK1 and the MFN1 genes. PICK1 is involved in internalization of AMPA receptors whereas MFN1 is one of the core components of the mitochondrial fusion/fission machinery. Although these observations will need to be replicated, our findings support the previously suspected pathogenic role for glutamate excitotoxicity and imbalanced mitochondrial dynamics in Parkinson’s disease. They further emphasize the value of inbred populations in genetic studies of PD and provide new clues to the molecular pathogenesis of the disorder.

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée. / Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease, mainly manifested by tremor, rigidity, bradykinesia and postural instability, and often an asymmetry of symptom severity of the left and right sides of the body. The depletion of dopamine of the nigrostriatal pathway is the primary cause of the motor symptoms observed in patients with PD, leading to an imbalance in basal-ganglia prefrontal circuits. In the protocols described here, patients with PD before and after levodopa administration and healthy participants performed self-initiated (SI) and externally triggered (ET) movements with the left and right hand during functional magnetic resonance imaging (fMRI). In the chapters of this thesis, we argue and provide evidence for four main points. The first portion (chapter 2) provides a literature review on cortico-striatal and cortico-cerebellar circuit disruption in PD. Using neuroimaging techniques, changes in cerebral and cerebellar activity have been observed in patients with PD compared with healthy participants. Although increases in activity in the cerebellum have often been interpreted as compensatory mechanisms, we provide evidence that they are more likely to be related to pathophysiological changes of the disease, and the disruption of the cortico- cerebellar circuit. In general, we argue (1) is that activity in the cerebellum is linked to the pathophysiology of PD. In the second section (chapter 3) we discuss the effect of levodopa on the patterns of cortical hypo- and hyper-activity in PD, as well as the activity of the putamen in SI and ET movements. Many studies have shown cortical hypo-activity in relation to nigrostriatal dopamine depletion. In contrast, some cognitive studies have also identified increases in cortical activity in patients with PD as compared with healthy control participants. We have previously suggested that cortical hypo- and hyper-activations depend on striatal recruitment. In this thesis, we further show that hyper-activations in the prefrontal cortex are not reestablished with levodopa administration. We suggest (2) that they are rather associated with mesocortical dopamine circuit dysfunction, and perhaps linked with long- term dopaminergic medication administration. Furthermore, we show (3) that levodopa has a non-task specific effect on the motor cortico-striatal loop, but does not affect the cognitive cortico-striatal circuit. Finally (chapter 4), we show that the effect of levodopa on movements of the left and right hands is not symmetrical. Previous studies have shown that in about 50% of patients, one side of the body is more severely affected, and this asymmetry persists throughout the duration of the disease. Our results suggest (4) that levodopa may have stronger effects on the cerebral hemodynamic patterns related to the movements of the more affected hand than on those of the less affected hand.

Introduction et objectifs : Alors que l'effet moteur de la lévodopa (L-dopa) dans la maladie de Parkinson (MP) est clair et établi, son effet sur la cognition demeure incertain. Les troubles cognitifs ont un impact important sur la qualité de vie et les études évaluant l'effet cognitif de ce médicament donnent des résultats encore divergents. L’objectif primaire de cette étude pilote est d’observer l’impact des doses cliniques de lévodopa sur la cognition. Un second objectif sera d'établir une courbe dose-réponse pour observer les différences potentielles. Méthodes : Cinq patients avec MP ont été évalués à l’aide de 2 tests cognitifs (CPT-II et Stroop) et 2 tests moteurs (Finger Tapping et UPDRS-III) en OFF (sevrage minimal de 12 heures) et en ON avec des doses croissantes de lévodopa (commençant à 50mg avec une augmentation de dose de 50mg par visite) jusqu’à l'observation d'une performance cognitive optimale ou d'effets secondaires. Une administration répétée des tests cognitifs a été faite à la première visite pour limiter l’effet d’apprentissage. Résultats : Le temps de réaction (RT) mesuré en millisecondes au CPT-II a augmenté (médiane 3.03%) après la prise de médicament alors que les erreurs ont légèrement diminué (médiane -9.92%). Au Stroop, l’effet d’interférence évalué selon les changements au temps d’inhibition mesuré en secondes était légèrement moindre sans changement dans les erreurs. Avec les doses prescrites, le RT a augmenté de 3,50% et le nombre d’erreurs est resté stable alors que les doses inférieures ont eu une moindre augmentation du RT tout en diminuant les erreurs. Dans le Stroop, les doses faibles ont amélioré le temps de près de 19% alors que les doses prescrites ont quant à elles diminué les erreurs. Malgré une certaine variabilité, la courbe dose-réponse indique que les erreurs diminuaient aux doses faibles et fortes dans le CPT-II alors que le RT augmentait généralement, ce qui pourrait indiquer un style de performance plus prudent. L’effet de la lévodopa sur l’interférence dans le Stroop variait légèrement sans tendances fixes mis à part le bénéfice observé par les doses faibles. Une importante variabilité a été observée dans les évaluations motrices entre les sujets ainsi qu'au sein du même sujet. Conclusion : Ces résultats indiquent qu’en général, le médicament ne semble pas avoir d’effet néfaste important sur l’attention et les fonctions exécutives évaluées auprès de ce groupe de patients parkinsoniens. L'effet cognitif des doses plus faibles semble leur être bénéfique et meilleur que les doses cliniquement prescrites. La relation dose-réponse démontre un effet cognitif variable de la lévodopa entre les doses, n'indiquant toutefois pas de tendances claires. / Background and objectives: While levodopa’s effect on motor symptoms in Parkinson’s disease (PD) has been largely characterized, its cognitive effect still remains without definite conclusion. Since cognitive impairment is an important feature of PD that impacts patients’ quality of life, it is important to establish levodopa’s effect on cognitive functions. Multiple studies regarding this subject remained without specific consensus. The main goal pursued in this study is to observe the effect of clinical doses of levodopa on attention and executive functions. A dose-response curve is also made with the escalating doses evaluated. Methods: Five PD patients were investigated OFF (minimal withdrawal of 12 hours) and ON levodopa (starting dose of 50mg escalating by 50mg per visit) with 2 cognitive (CPT-II and Stroop) and 2 motor (finger tapping and UPDRS-III) tests until reaching an optimal cognitive performance or showing signs of side effects. Practice sessions of the cognitive tests were done at the first visit. Results: While reaction time (RT) in milliseconds increased (median 3.03%), errors slightly decreased (median -9.92%) after medication intake in the CPT-II. Errors however did not change in the Stroop while time evaluated in seconds decreased. The CPT-II showed slowing at the prescribed doses of levodopa (3.5%) while lower doses improved errors with less increase of the RT. These small doses also improved the performance in the Stroop test with a 19% reduction in time while the prescribed doses improved errors instead. The dose-response curve indicates a reduction of errors in the CPT-II for low and high doses while time usually increased, showing a more cautious style. Besides the beneficial effect of low doses, the dose-response curve for the Stroop test did not show any specific tendencies in levodopa’s effect on interference. An important variability was observed in motor evaluations between and within subjects. Conclusion: These results indicate that levodopa does not seem to have an important deleterious effect on attention and executive functions evaluated in this group of parkinsonian patients and that low doses seem to even be beneficial and better than the ones usually taken by the patients. The dose-response curve showed that the cognitive effect of levodopa for these patients varies between the different doses without being clear on the tendencies.

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui se caractérise principalement par la présence de symptômes moteurs. Cependant, d’autres symptômes, dits non moteurs, sont fréquents dans la MP et assombrissent le pronostic; ceux ci incluent notamment les désordres du sommeil et les troubles cognitifs. De fait, sur une période de plus de 10 ans, jusqu’à 90 % des patients avec la MP développeraient une démence. L’identification de marqueurs de la démence dans la MP est donc primordiale pour permettre le diagnostic précoce et favoriser le développement d’approches thérapeutiques préventives. Plusieurs études ont mis en évidence la contribution du sommeil dans les processus de plasticité cérébrale, d’apprentissage et de consolidation mnésique, notamment l’importance des ondes lentes (OL) et des fuseaux de sommeil (FS). Très peu de travaux se sont intéressés aux liens entre les modifications de la microarchitecture du sommeil et le déclin cognitif dans la MP. L’objectif de cette thèse est de déterminer, sur le plan longitudinal, si certains marqueurs électroencéphalographiques (EEG) en sommeil peuvent prédire la progression vers la démence chez des patients atteints de la MP. La première étude a évalué les caractéristiques des OL et des FS durant le sommeil lent chez les patients avec la MP selon qu’ils ont développé ou non une démence (MP démence vs MP sans démence) lors du suivi longitudinal, ainsi que chez des sujets contrôles en santé. Comparativement aux patients MP sans démence et aux sujets contrôles, les patients MP démence présentaient au temps de base une diminution de la densité, de l’amplitude et de la fréquence des FS. La diminution de l’amplitude des FS dans les régions postérieures était associée à de moins bonnes performances aux tâches visuospatiales chez les patients MP démence. Bien que l’amplitude des OL soit diminuée chez les deux groupes de patients avec la MP, celle ci n’était pas associée au statut cognitif lors du suivi. La deuxième étude a évalué les marqueurs spectraux du développement de la démence dans la MP à l’aide de l’analyse quantifiée de l’EEG en sommeil lent, en sommeil paradoxal et à l’éveil. Les patients MP démence présentaient une diminution de la puissance spectrale sigma durant le sommeil lent dans les régions pariétales comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Durant le sommeil paradoxal, l’augmentation de la puissance spectrale en delta et en thêta, de même qu’un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG, caractérisé par un rapport plus élevé des basses fréquences sur les hautes fréquences, était associée au développement de la démence chez les patients avec la MP. D’ailleurs, dans la cohorte de patients, un plus grand ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal dans les régions temporo occipitales était associé à des performances cognitives moindres aux épreuves visuospatiales. Enfin, durant l’éveil, les patients MP démence présentaient au temps de base une augmentation de la puissance spectrale delta, un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG ainsi qu’une diminution de la fréquence dominante occipitale alpha comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Cette thèse suggère que des anomalies EEG spécifiques durant le sommeil et l’éveil peuvent identifier les patients avec la MP qui vont développer une démence quelques années plus tard. L’activité des FS, ainsi que le ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal et à l’éveil, pourraient donc servir de marqueurs potentiels du développement de la démence dans la MP. / Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized principally by its motor symptoms. However, non motor symptoms are frequent in PD and are associated with a poorer prognosis; these include sleep disorders and cognitive impairments. Indeed, prospective studies have shown that over a 10 year period, up to 90% of PD patients will develop dementia. Therefore, identifying clinical risk factors or markers of dementia in PD is essential, notably for early diagnosis, but also to facilitate the development of preventive therapeutic approaches. There is increasing evidence for a relationship between sleep and cognition in normal and pathological aging. Electroencephalographic (EEG) events during non rapid eye movement (N REM), including sleep spindles and slow waves (SW), may contribute to brain plasticity, learning, and memory processes. However, very few studies have investigated the relationships between sleep changes and cognitive decline in PD. The objective of this thesis is to examine whether specific sleep EEG markers are associated with increased likelihood of developing dementia on prospective follow up assessment in PD patients. The first study evaluated baseline N REM sleep SW and spindle characteristics in PD patients according to their cognitive status (presence or absence of dementia) at follow up (mean 4,5 years), along with a group of healthy controls. Compared to PD patients who remained dementia free and controls, PD patients who developed dementia at follow up showed lower baseline spindle density, amplitude, and frequency. Lower spindle amplitude in posterior cortical regions was associated with poorer visuospatial abilities in demented PD patients. SW amplitude was lower in both PD groups at baseline, regardless of dementia status at follow up. The second study examined EEG spectral markers of dementia across three states of consciousness (N REM sleep, REM sleep, and wakefulness) in PD using power spectral analysis. PD patients who developed dementia at follow up showed lower N REM sleep sigma power in parietal areas compared to both PD patients who remained dementia free and controls. During REM sleep, PD patients who converted to dementia showed, at baseline, higher power in delta and theta bands and a higher EEG slowing ratio (increased slow to fast frequencies ratio) compared to PD patients who remained dementia free and controls. In both PD groups, higher slowing ratios in temporal and occipital regions during REM sleep were associated with poor performance on visuospatial tests. Finally, PD patients who later developed dementia showed lower dominant occipital frequency as well as higher delta and slowing ratio during wakefulness compared to PD patients who remained dementia free and controls. This thesis suggests that specific EEG alterations during sleep and wakefulness, mainly in posterior cortical regions, can identify PD patients who will later develop dementia. Sleep spindle activity, as well as REM sleep and wake EEG slowing, could thus serve as additional markers of cognitive decline in PD.