Les neurones dopaminergiques du striatum représentent une population neuronale qui augmente en nombre chez les animaux parkinsoniens. Aucune donnée n'existe sur leur nombre dans la maladie de Huntington. Ce mémoire présente les résultats de deux expériences quantitatives menées dans des cerveaux pathologiques sur cette population neuronale. La première a été réalisée avec des cerveaux d'humains décédés des maladies de Parkinson et de Huntington; la seconde a été faite avec des cerveaux de singes parkinsoniens traités et non traités à la L-dopa. Les données obtenues démontrent que la dopamine constitue un important stimulus dans la régulation de la quantité de ces cellules, laquelle paraît inversement reliée à la Concentration de dopamine environnante. De tels résultats permettent une meilleure compréhension des mécanismes compensateurs impliqués dans les maladies de Parkinson et de Huntington et pourraient ouvrir la porte à de nouvelles perspectives dans le traitement de ces pathologies.

Savoir différiencier les différentes types de tissus représente un aspect important lors d’interventions médicales, que ce soit pour aider au diagnostic d’une maladie ou pour le guidage chirurgical. Il est généralement très difficile de distinguer les tissus sains des tissus pathologiques à l’oeil nu et la navigation chirurgicale peut parfois être difficile dans les grands organes où la structure ciblé se trouve enfouie profondément. De nouvelles méthodes susceptibles d’accroître la réussite de telles interventions médicales suscitent actuellement de l’intérêt chez les professionnels de la santé. La spectroscopie optique, en analysant les interactions lumière-tissu dans une plage spectrale définie, est un outil permettant de différencier les tissus avec une résolution et une sensibilité bien supérieures à celles de l’oeil humain. Tout au long de cette thèse, je détaillerai comment la spectroscopie optique a été utilisée pour créer et améliorer un système de guidage optique utilisé pour la stimulation cérébrale profonde en neurochirurgie, en particulier pour le traitement de la maladie de Parkinson. Pour commencer, je montrerai comment les informations spectroscopiques peuvent fournir une rétroaction peropératoire en temps réel à un neurochirurgien, au cours de la phase d’implantation de la procédure, avec une sonde qui n’induit aucune invasion supplémentaire. Je présenterai l’investigation de deux modalités spectroscopiques différentes pour la discrimination tissulaire pour le guidage, soit la spectroscopie à réflectance diffuse et la spectroscopie de diffusion Raman anti-Stokes cohérente. Les avantages et les inconvénients des deux techniques, ainsi que leurs aptitude à la traduction prometteuse pour cette application seront abordés. Par la suite, je présenterai une nouvelle technique d’analyse de données pour extraire l’oxygénation des tissus à partir de spectres de réflectance diffus dans le but d’améliorer la précision de mesure en spectroscopie rétinienne et ultimement de porter un diagnostique. Bien que conçu pour la rétine, l’algorithme peut également être utilisé pour analyser les spectres acquis lors d’une neurochirurgie afin de fournir des informations à la fois discriminantes et diagnostiques. Finalement, je montrerai des preuves de diffusion anisotrope de la lumière dans les axones myélinisés de la moelle épinière et discuterai des conséquences que cela pourrait avoir sur les simulations actuelles de la propagation des photons dans le cerveau, qui feront partie intégrante d’un guidage optique efficace. / Differentiating tissue types is an important aspect of guiding medical interventions whether it be for disease diagnosis or for surgical guidance. However, diseased and healthy tissues are often hard to discriminate by human vision alone and surgical navigation can be difficult to accomplish in large organs where the target structure lies deep within the body. New methods that can increase certainty in such medical interventions are therefore of great interest to healthcare professionals. Optical spectroscopy is a tool which can be exploited to probe discriminatory information in tissue by analyzing light-tissue interactions with a spectral range, resolution and sensitivity much greater than the human eye. Throughout this thesis, I will explain how I have leveraged optical spectroscopy to create, and improve, an optical guidance system for deep brain stimulation neurosurgery, specifically for the treatment of Parkinson’s disease. I will begin by describing how spectroscopic information can provide real-time feedback to a surgeon during the procedure, in the hopes of ultimately improving treatment outcome. To this end, I will present the investigation of two different spectroscopic modalities for optical guidance: diffuse reflectance spectroscopy, and coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy. The advantages and disadvantages of both techniques will be discussed along with their promising translatability for this application. Following this, I will present a novel data analysis technique for extracting the tissue oxygenation from diffuse reflectance spectra with the aim of improved diagnostic information in retinal spectroscopy. While designed for the retina, the algorithm can also be used to analyze spectra acquired during a neurosurgery to provide both discriminatory and diagnostic information. Lastly, I will show evidence of anisotropic light scattering in the myelinated axons of the spinal cord and discuss the implications this may have on current photon propagation simulations in the brain, which will be integral for effective optical guidance.

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La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus répandue dans le monde. Elle se caractérise par des symptômes moteurs causés par une perte des neurones dopaminergiques de la substance noire du cerveau. Les patients souffrent aussi de symptômes non-moteurs pouvant apparaître jusqu’à plusieurs années avant les déficits moteurs. Parmi ceux-ci se retrouvent des troubles gastro-intestinaux, suggérant l’implication du système nerveux entérique (SNE) dans la pathologie. En effet, des neurones dopaminergiques sont retrouvés dans le plexus myentérique (PM) du SNE, dont un des rôles est la régulation de la motilité du tube digestif. De plus, une augmentation de l’inflammation est observée chez les patients. L’incidence de la MP est plus élevée chez les hommes que chez les femmes, ce qui suggère un effet bénéfique des hormones féminines. La progestérone a été montrée neuroprotectrice pour les traumatismes crâniens, ainsi que dans des modèles animaux de la MP au niveau du système nerveux central. N’ayant pas été étudiée au niveau entérique dans les modèles de la MP, l’objectif de ce projet visait donc à évaluer les effets de la progestérone dans le PM de souris lésées au 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6- tétrahydropyridine (MPTP), une neurotoxine qui modélise la maladie. Différentes doses de progestérone (0.4, 8, 16 mg/kg) ont également été administrées et les résultats ont été obtenus suite à des immunohistochimies et immunofluorescences sur le PM de l’iléon. Nos résultats ont montré des effets neuroprotecteur et antiinflammatoire de la progestérone dans le SNE des souris. Puisqu’il n’existe encore que des traitements symptomatiques de la MP, cette étude s’avère pertinente dans l’optique du développement de thérapies neuroprotectrices. / Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease in the world. It is characterized by motor symptoms caused by the loss of dopaminergic neurons in the brain’s substantia nigra. Patients also suffer from nonmotor symptoms that can appear many years before motor symptoms. Among them are gastrointestinal problems, which suggest the implication of the enteric nervous system (ENS) in the pathology. Indeed, dopaminergic neurons are found in the myenteric plexus (MP) of the SNE, of which one role is the regulation of the gut’s motility. Moreover, increased inflammation can be observed in patients. The incidence of PD is higher in men than in women, suggesting a beneficial effect from female hormones. Progesterone was shown to be neuroprotective in traumatic brain injuries, as well as in the central nervous system of PD animal models. Having not been studied at the enteric level in PD models, the objective of this project was thus to evaluate progesterone’s effects in the MP of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6- tetrahydropyridine (MPTP)-lesioned mice, a neurotoxin that model the disease. Different doses of progesterone (0.4, 8, 16 mg/kg) were also administered and results were obtained by immunohistochemistry and immunofluorescence experiments on the MP of the ileum. Our results showed neuroprotective and antiinflammatory effects of progesterone in the mice’s ENS. Since only symptomatic treatments are currently available for PD, this study proves relevant for the eventual development of neuroprotective therapies.

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Afin de déterminer le rôle de l'augmentation des peptides opioïdes dans la dyskinésie induite par la L-DOPA (DIL), nous avons utilisé le transfert de gène par vecteur viral pour surexprimer la pré-enképhaline (pENK) dans le striatum du modèle de souris unilatérale au 6-hydroxydopamine. Trois groupes ont reçu soit une injection striatale de : salin (Saline); virus adéno-associé exprimant la « Green Fluorescent Protein » (AAV-GFP); ou AAV-GFP-pENK. Le 4e groupe a reçu la L-DOPA sans injection striatale (NSI) et le 5e groupe n'a pas reçu de L-DOPA. Les résultats ont démontré une réduction importante de la DIL chez les groupes GFP et pENK (-70% à -82%) comparativement aux groupes Saline et NSI. Le niveau d'ARNm de pENK était plus élevé dans les régions striatales antérieur et postérieur chez les groupes pENK et GFP, respectivement. Notre étude présente la première preuve que l'augmentation striatale d'ARNm de pENK peut réduire la DIL. / To address the role of striatal upregulation of opioid peptides in L-DOPA-induced dyskinesia (LID), we used viral vector gene transfer to overexpress pre-enkephalin (pENK) in striatum of unilateral 6-hydroxydopamine mouse model of LID. One week before L-DOPA treatment (3 weeks after dopamine lesion) three groups received either striatal injection of: Saline (Saline); or Adeno-Associated Virus expressing Green Fluorescent Protein (AAV-GFP); or AAV-GFP-pENK. 4th group only received L-DOPA without any striatal injection (NSI), and 5th group did not receive L-DOPA. The severity of dyskinesia after L-DOPA administration was assessed, during 3 weeks. Our results showed an important reduction of LID in GFP- and pENK- injected mice (-70% to -82%) compared with Saline and NSI groups. The level of pENK mRNA was higher in the anterior and posterior parts of lesioned-striatum in pENK and GFP groups, respectively. Our study provides the first evidence that upregulation of striatal pENK mRNA could reduce LID.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Une hyperactivité de la transmission glutamatergique striatale est rapportée dans la maladie de Parkinson (MP) et les dyskinésies (DIL) induites par la L-3,4-dihydroxyphénylalanine (L-DOPA). Les récepteurs glutamatergiques métabotropiques de type 5 (mGlu5) représentent une nouvelle cible thérapeutique intéressante afin de prévenir le développement des DIL. L’objectif du projet était de vérifier si l’ajout d’un antagoniste du récepteur mGlu5 au traitement à la L-DOPA pouvait maintenir l’activité antiparkinsonienne de la L-DOPA, tout en réduisant ou en empêchant le développement des complications motrices chez le modèle de singe femelle lésé au 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP). Par la suite, nous avons investigué les mécanismes impliqués dans le développement des DIL en évaluant les modifications moléculaires associées à la transmission dopaminergique, glutamatergique et sérotoninergique dans les ganglions de la base du cerveau. Lors de traitements aigus chez des singes déjà dyskinétiques, les antagonistes des récepteurs mGlu5 (MPEP, MTEP et AFQ056) en combinaison à la L-DOPA ont réduit l’intensité des DIL tout en maintenant l’effet antiparkinsonien de la L-DOPA. Dans un traitement chronique de novo d’un mois, l’ajout de MPEP avec la L-DOPA a réduit le développement des DIL (72%) et la détérioration de fin de dose, sans affecter l’effet antiparkinsonien de la L-DOPA par rapport au groupe L-DOPA seul. Dans les ganglions de la base du cerveau de ces animaux, l’addition de MPEP à la L-DOPA a prévenu l’augmentation des récepteurs glutamatergiques post-synaptiques mGlu5, NMDA NR1/NR2B et AMPA, tout en prévenant la baisse de l’autorécepteur mGlu2/3. MPEP a également prévenu la diminution du niveau des récepteurs dopaminergiques D2, sans toutefois affecter les récepteurs D1. MPEP a aussi normalisé les niveaux d’ARNm des neuropeptides enképhaline et dynorphine, et les niveaux de phosphorylation des protéines de signalisation ERK1/2 et Akt/GSK3. Finalement, l’effet antidyskinétique de MPEP a été associé à des niveaux plus faibles des récepteurs sérotoninergiques 5-HT2A et 5-HT1B, sans toutefois affecter les récepteurs 5-HT1A et le transporteur de la sérotonine. Nos résultats suggèrent que la réduction des complications motrices induites par la L-DOPA avec l’utilisation d’un antagoniste du récepteur mGlu5 est également associée à la normalisation de plusieurs marqueurs et récepteurs des systèmes glutamatergiques, dopaminergiques et sérotoninergiques. / Overactivity of brain striatal glutamate neurotransmission has been implicated in Parkinson’s disease (PD) and L-3,4-Dihydroxyphenylalanine(L-Dopa)-induced dyskinesias (LID). Striatal metabotropic glutamate receptors type 5 (mGlu5) are abundant in the striatum and provide specific targets to modulate glutamatergic activity in order to prevent the development of LID. The aim of this project was to investigate if the addition of an mGlu5 receptor antagonist to L-DOPA could maintain the antiparkinsonian effect of L-DOPA, and also decrease or prevent the development of LID in female monkeys lesioned with 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Then, we have investigated the mechanisms involved in the development of LID by evaluating the molecular changes associated to dopamine, glutamate and serotonin neurotransmission in the brain basal ganglia. In acute treatments of already dyskinetic monkeys, the treatment with mGlu5 receptor antagonists (MPEP, MTEP and AFQ056) in combination with L-DOPA reduced the intensity of LID while the antiparkinsonian effect of L-DOPA remained unchanged. In a de novo chronic treatment of one month, the addition of the mGlu5 receptor antagonist MPEP to L-DOPA reduced the development of LID (72%) and wearing-off as compared to the group treated with L-DOPA alone, while MPEP did not affect the antiparkinsonian effect of L-DOPA. In the brain basal ganglia of these monkeys, the addition of MPEP to L-DOPA treatment prevented the increase of postsynaptic mGlu5, NMDA NR1/NR2B and AMPA glutamate receptors, while this treatment prevented the decrease of mGlu2/3 presynaptic autoreceptors. Moreover, MPEP prevented the decrease of D2 dopamine receptors, but it did not affect the D1 dopamine receptors. MPEP also prevented the increase of striatal preproenkephalin/preprodynorphin mRNA levels and phosphorylated proteins ERK1/2 and Akt/GSK3. Finally, the antidyskinetic effect of MPEP was associated with lower levels of 5-HT2A and 5-HT1B serotonin receptors while 5-HT1A receptors and brain serotonin transporter (SERT) remained unaffected. These results suggest that the prevention of the development of motor complications with an mGlu5 receptor antagonist was associated with the normalization of important markers and receptors of glutamate, dopamine and serotonin neurotransmission, supporting the therapeutic use of an mGlu5 receptor antagonist to treat LID.

Objectifs: La plainte cognitive subjective guide le clinicien dans l'évaluation des déficits cognitifs objectifs et peut fournir des informations supplémentaires vitales en contexte clinique. Il est donc important d'évaluer sa valeur clinique et la perspective du patient face à leurs difficultés cognitives, afin de soutenir le diagnostic. L'objectif général de cette étude est d'étudier les variables cognitives, psychologiques et comportementales ainsi que les variables motrices, sociodémographiques et cliniques en relation avec les plaintes cognitives subjectives chez les patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). Méthodes: Les données de 50 patients atteints de MP à différents niveaux d’atteinte cognitive, c.-à-d. cognitivement intact (MP-CS), déficit cognitif léger (MP-TCL) et démence (MP-DÉM) ont été analysées. Un modèle a été créé en utilisant la méthode LASSO pour déterminer les variables les plus corrélées avec la plainte exécutive autorapportée avec le Questionnaire dysexécutif (DEX). La plainte mnésique a été analysée en fonction des groupes diagnostiques et des déficits mnésiques objectifs. Résultats: Le résultat sur l'échelle d'apathie, la rigidité en tant que symptôme dominant et les déficits exécutifs objectifs sont les variables les plus corrélées avec la plainte exécutive. Le test du Stroop (condition d'inhibition) est fortement corrélé avec le score de la plainte exécutive au DEX. Il n'y a aucune différence entre les patients atteints de MP-CS, de MPTCL et de MP-DÉM en ce qui concerne le score objectif de la mémoire épisodique et la plainte mnésique. Conclusions: Les patients atteints de MP semblent être conscients de leurs difficultés en ce qui concerne les fonctions exécutives. Des tests mesurant l’inhibition et la flexibilité mentale, comme le Stroop, doivent être ajoutés au protocole neuropsychologique lors de l'évaluation des patients atteints de MP. L'association entre les symptômes d'apathie, la rigidité et les plaintes exécutives justifie de nouvelles recherches. / Objectives: Subjective cognitive complaints guide clinicians in the assessment of objectives cognitive deficits and can provide vital additional information in the clinical setting. It is therefore important to evaluate its clinical value, and the awareness of the patients to their cognitive difficulties, in order to support the diagnosis. The overall objective of this study is to investigate cognitive, psychological and behavioral as well as motor, sociodemographic and clinical variables in relationship to subjective cognitive complaints in patients with Parkinson's Disease (PD). Methods: Data from 50 patients with PD at three levels of cognitive functioning, i.e. cognitively intact (CI), mild cognitive impairment (MCI) and dementia, were analyzed. A model was created using the LASSO method to determine the variables most correlated with self-reported executive complaint measured with the Dysexecutive Questionnaire (DEX). The memory complaint was analyzed according to the diagnostic groups and objective memory deficits. Results: Score on the Apathy Scale, rigidity as a dominant symptom and executive deficits were the variables the most correlated with the executive complaint. The Stroop test (inhibition condition) correlated significantly with the DEX complaint score. There was no difference between CI, MCI and dementia patients regarding the objective score in episodic memory and the memory complaint. Conclusions: Patients with PD seem to be aware of their difficulties with respect to executive functions. Tests measuring inhibition and mental flexibility, such as the Stroop test, shall be added to neuropsychological protocol when assessing PD patients. The association between symptoms of apathy, rigidity and executiexecutive complaints warrant further research.

Contrairement à la dopamine (DA), le rôle de la sérotonine (5-HT) dans les maladies neurodegeneratives affectant les ganglions de la base est mal connu. L'objectif de cette étude était donc de caractériser l'état de l'innervation DA et 5-HT du striatum chez des patients ayant souffert de la maladie de Parkinson (MP) ou de la maladie d'Huntington (MH) en comparaison avec des individus contrôles appariés pour l'âge. Des anticorps contre la tyrosine hydroxylase (TH) et le transporteur de la sérotonine (SERT) ont été utilisés comme marqueurs des profils axonaux DA et 5-HT, respectivement La densité et les patrons de l'innervation DA et 5-HT ont été déterminés en examinant des sections coronales du striatum afin de détecter des variations dans la densité optique. Cette approche semi-quantitative a été validée par des estimations stéréologiques de la densité des varicosités axonales marquées. Une diminution significative de l'intensité du marquage TH accompagnée d'une baisse dans la densité des varicosités axonales TH+ a été notée à travers tout le striatum des patients atteints de MP et de MH. À l'opposé, l'intensité du marquage SERT et la densité des varicosités axonales SERT+ étaient augmentés dans le striatum des patients souffrant de MP et de MH. Ces résultats indiquent que la voie dopaminergique nigrostriée est significativement altérée dans la M H, comme dans la MP. Cependant, l'altération présente dans la MH pourrait être secondaire à la perte massive des neurones épineux de taille moyenne, lesquels sont les cibles principales des axones DA. L'augmentation de l'innervation 5-HT striatale observée dans la MP pourrait être due à un mécanisme neuronal compensant pour la dénervation DA. Dans la MH, l'atrophie striatale prononcée pourrait expliquer l'augmentation de la densité de l'innervation 5-HT striatale remarquée dans cette maladie. Les résultats de notre étude suggèrent l'existence d'une interaction complexe entre les systèmes DA et 5-HT au niveau striatal pour assurer un contrôle fiable et adéquat du comportement moteur.

La maladie de Parkinson (MP) atteint principalement les fonctions motrices, mais est également associée à plusieurs symptômes non-moteurs, incluant des altérations cognitives. Celles-ci sont associées à de nombreuses conséquences sur le fonctionnement et la qualité de vie des patients et de leur entourage. Il est donc pertinent d'identifier des facteurs qui pourraient moduler ces conséquences, de même que de comprendre leur patron de fonctionnement. Par leurs effets sur la neurotransmission dopaminergique, les antiparkinsoniens actuellement prescrits à une vaste majorité de patients MP pourraient affecter leur cognition et, par conséquent, leur fonctionnement quotidien. Considérant ce rationnel, plusieurs chercheurs se sont intéressés à étudier l'association entre ces médications et la cognition dans la MP, mais les études en découlant n'ont jamais été recensées de manière systématique. Ce mémoire étudie les effets des antiparkinsoniens actuellement prescrits en clinique sur le fonctionnement cognitif chez des patients MP en stades léger à modéré présentant ou non des atteintes cognitives légères et ce, via une recension systématique de la littérature de nature quantitative. Le Chapitre 1 établi l'état actuel des connaissances scientifiques entourant la problématique étudiée. Le Chapitre 2 présente les résultats de la recension systématique quantitative qui a été réalisée au cours de ce projet. Globalement, chaque molécule étudiée a présenté un patron distinct d'effets sur les différents domaines cognitifs, avec certaines produisant principalement des effets délétères (pramipexole, sélégiline), et d'autres apportant surtout des bénéfices ou aucun changement (levodopa, rasagiline). Enfin, le Chapitre 3 explore différentes interprétations et réflexions en lien avec les résultats. Il contient également des pistes de recherches futures, certaines implications cliniques des résultats obtenus, de même qu'une critique de l'état de la littérature sur la problématique étudiée et du présent mémoire doctoral.