La corne dorsale de la moelle épinière contient une population diversifiée de neurones qui sont responsables de l'intégration et de la transmission de l'information liée à la douleur vers le cerveau. L'excitabilité de ces neurones est largement contrôlée par l'acide γ- aminobutyrique (GABA) et la glycine, les deux principaux neurotransmetteurs inhibiteurs du système nerveux central. L'inhibition synaptique conventionnelle est médiée par des récepteurs GABAA et glycine perméables aux chlorures, situés à l’opposé des terminaux présynaptiques. Cependant, un sous-ensemble différent de ces récepteurs est situé à l'extérieur de la synapse et offre une diversité fonctionnelle supplémentaire d'inhibition. Les études présentées dans cette thèse ont utilisé une grande variété d'approches pour explorer deux composantes non conventionnelles de l'inhibition dans la régulation de la transmission liée à la douleur dans la corne dorsale de la moelle épinière. Le premier est le rôle des récepteurs GABAergiques non synaptiques qui produisent une inhibition tonique; le seconde est la régulation des gradients de chlorure intracellulaire qui déterminent la force de l'inhibition GABAergique. Les résultats montrent qu'il existe un gradient d'inhibition à travers la corne dorsale, avec une inhibition plus faible dans les niveaux superficiels, et de plus en plus forte en profondeur. Ceci est démontré par une contribution différentielle des récepteurs GABAA contenant des sous-unités α5 (α5GABAAR) à l'inhibition tonique à travers la corne dorsale de la moelle épinière. L'activité basale de ces récepteurs n'est pas assez forte pour contraindre la sensibilisation à l'information liée à la douleur, mais contribue à la récupération de ces états sensibilisés. Le renforcement de l'activité de αGABAARs ne limite pas non plus la sensibilisation. En revanche, l'activité d'autres récepteurs GABAA producteurs d'inhibition tonique, à savoir ceux contenant des sous-unités δ (δGABAAR), peut être améliorée pour diminuer la sensibilisation dans la corne dorsale. D'autre part, il y a aussi un gradient dans l'homéostasie du chlorure, qui affecte la façon dont les différents neurones intègrent les entrées synaptiques. En fait, j'ai decouvert que l'homéostasie du chlorure module la propension et la stabilité de la plasticité synaptique. Une activité plus élevée de l'extrudeur neuronal du chlorure (KCC2), telle que celle présente dans les niveaux plus profonds de la corne dorsale, est directement liée à une reduction de la potensialisation a long-terme (LTP). Inversement, une faible capacité d'extrusion de chlorure dans les niveaux superficiels conduit à une LTP accentué dans la corne dorsale. En conclusion, j'ai découvert un gradient d'inhibition à travers la corne dorsale qui détermine la sensibilisation de l'information nociceptive. Une inhibition faible aux niveaux superficiels conduit à une plasticité synaptique améliorée et sans contrainte, alors qu'une inhibition plus forte contraint la plasticité aux niveaux plus profonds de la corne dorsale. / The dorsal horn of the spinal cord contains a diverse population of neurons that are responsible for the integration and transmission of pain-related information into the brain. The excitability of these neurons is largely controlled by γ-aminobutyric acid (GABA) and glycine, the two main inhibitory neurotransmitters in the central nervous system. Conventional synaptic inhibition is mediated by chloride-permeable GABAA and glycine receptors, located directly opposite to presynaptic terminals. However, a different subset of these receptors is located outside the synapse and provides further functional diversity of inhibition. The studies presented in this thesis employed a wide variety of approaches to explore two non-conventional components of inhibition in the regulation of pain-related transmission in the dorsal horn of the spinal cord. The first is the role of non-synaptic GABAergic receptors that produce tonic inhibition; the second is the regulation of intracellular chloride gradients that determine the strength of GABAergic inhibition. The results show that there is a gradient of inhibition across the dorsal horn, with weaker inhibition in superficial levels, and increasingly stronger in deeper levels. This is evidenced by a differential contribution of α5 subunit-containing GABAA receptors (α5GABAARs) to tonic inhibition across the dorsal horn of the spinal cord. Importantly, the basal activity of these receptors is not strong enough to counter sensitization of pain-related information but contributes to the recovery from these sensitized states. Enhancing the activity of α5GABAARs also does not constrain sensitization. In contrast, the activity of other tonicinhibition- producing GABAA receptors, namely those that contain δ subunits (δGABAARs), can be enhanced to decrease sensitization in the dorsal horn. On the other hand, there is a also gradient in chloride homeostasis, which affects how different neurons integrate synaptic inputs. In fact, I found that chloride homeostasis modulates the propensity and stability of synaptic plasticity. As such, higher activity of the neuronal chloride extruder (KCC2), such as that present in deeper levels of the dorsal horn, is directly linked to a stable, or constrained, long-term potentiation (LTP). Conversely, low chloride extrusion capacity in superficial levels leads to enhanced and unstable LTP in the dorsal horn. In conclusion, I uncovered a gradient of inhibition across the dorsal horn that shapes the sensitization of nociceptive information. Weak inhibition at superficial levels leads to enhanced and unconstrained synaptic plasticity, whereas stronger inhibition stabilizes plasticity at deeper levels of the dorsal horn

La locomotion est contrôlée par des circuits spinaux qui génèrent le rythme locomoteur et coordonnent les activités musculaires entre la droite et la gauche du corps, et entre les muscles fléchisseurs et extenseurs. De plus, le rétrocontrôle sensoriel acheminé par les afférences proprioceptives et cutanées est crucial pour le fonctionnement normal du circuit locomoteur et pour l’adaptation du mouvement à l’environnement extérieur pendant la marche. La protéine DSCAM (Down Syndrom Cell Adhesion Molecule) est une molécule d’adhérence cellulaire impliquée dans un grand nombre de mécanismes nécessaires à la mise en place des réseaux neuronaux au cours du développement. Bien que DSCAM soit exprimée dans la moelle épinière de façon transitoire pendant le développement embryonnaire de la souris, et que sa mutation entraîne des défauts posturaux et moteurs très marqués, il y a très peu d’information sur son rôle dans le développement du circuit spinal lombaire contrôlant la locomotion. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cet ouvrage visent à étudier l’implication de DSCAM dans la mise en place et le maintien du circuit locomoteur spinal. Pour cela, nous avons d’abord évalué les changements neurologiques du circuit spinal lombaire de souris néonatales et adultes mutantes pour DSCAM. Les souris portant la mutation systémique DSCAM2J présentent des problèmes de coordination locomotrice associés à des changements anatomiques et neurophysiologiques dans le circuit interneuronal spinal. Par ailleurs, nous avons étudié l’impact de la mutation DSCAM2J sur la coordination des membres pendant la locomotion de la souris adulte. Nous montrons que la mutation de DSCAM altère la capacité des souris à courir et induit des changements dans leur répertoire locomoteur. En particulier, les souris mutantes DSCAM2J présentent des patrons de marche auparavant jamais décrits pour la souris. De tels changements suggèrent une réorganisation des réseaux neuronaux spinaux et supraspinaux impliqués dans le contrôle locomoteur des souris mutantes DSCAM2J. À l’aide de la technologie Cre-Lox, nous avons alors identifié et caractérisé la contribution de différentes populations interneuronales du circuit locomoteur spinal affectées par la mutation de DSCAM. Nous montrons dans cette étude que la mutation conditionnelle de DSCAM dans les interneurones spinaux excitateurs ou inhibiteurs entraîne un déséquilibre entre excitation et inhibition, induisant des défauts de coordination gauche/droite ou fléchisseur/extenseur, respectivement. Par immunomarquage, nous avons alors génétiquement identifié les populations interneuronales spinales impliquées dans le contrôle de la coordination gauche/droite ou fléchisseur/extenseur nécessaires à la locomotion. L’ensemble des résultats de nos études fonctionnelles, électrophysiologiques et anatomiques suggère que la protéine DSCAM est nécessaire au développement du circuit locomoteur spinal des mammifères. En plus de caractériser les différents rôles de DSCAM dans la mise en place de ce réseau spinal, ce travail montre comment le développement de mutations conditionnelles de DSCAM dans différentes sous-populations neuronales permet d’étudier différentes composantes du circuit locomoteur spinal. / Locomotion is controlled by spinal circuits that generate rhythm and coordinate left-right and flexor-extensor motoneuronal activities. The outputs of motoneurons and spinal interneuronal circuits are shaped by sensory feedback, relaying peripheral signals that are critical to the locomotor and postural control. Several studies in invertebrates and vertebrates have argued that the Down Syndrome Cell Adhesion Molecule (DSCAM) would play an important role in the normal development of neural circuits. Although there is evidence that DSCAM is expressed in the developing mouse spinal cord, and that its mutation induces postural and motor defects in adult mice, little is known about its functional contribution to the spinal circuits underlying locomotion. In this context, the work presented in this thesis aims at studying the implication of DSCAM in the establishment of the spinal locomotor circuit. For this purpose, we first sought to evaluate the neurological changes in the spinal locomotor circuit of neonatal and adult DSCAM mutant mice. We show that a systemic mutation of DSCAM (DSCAM2J) induces locomotor coordination defects associated with anatomical and neurophysiological changes in spinal interneuronal and sensorimotor circuits. We then investigated the functional contribution of DSCAM to locomotor gaits over a wide range of locomotor speeds using freely walking mice. We show that the DSCAM2J mutation impairs the ability of mice to run and modifies their locomotor repertoire, inducing the emergence of aberrant gaits for mice. Such changes suggest a reorganization of spinal and supraspinal neuronal circuits underlying locomotor control in DSCAM2J mutant mice. Finally, we used the Cre-Lox technology to genetically identify and characterize the neuronal populations underlying these functional changes. We show in this study that conditional mutations of DSCAM in either excitatory or inhibitory spinal interneurons induce an imbalance in excitatory-inhibitory signaling across the spinal midline that can impair the spinal locomotor circuit controlling either the bilateral coordination or the flexor/extensor coordination, respectively. Combining these studies with immunostaining experiments, we identified spinal interneuronal subpopulations implicated in either the bilateral or the flexor/extensor coordination during locomotion. Collectively, our functional, electrophysiological, and anatomical studies suggest that the mammalian DSCAM protein is involved in the normal development of the spinal locomotor circuit. In addition to characterizing the different implications of DSCAM in the development of this spinal circuit, this work shows how the use of conditional mutations of DSCAM in different neuronal subpopulations allows the study of the spinal locomotor circuit components.

Encore aujourd'hui, les lésions de la moelle épinière représentent un défi colossal pour la science et la médecine. La découverte d'un traitement efficace nécessitera un approfondissement des connaissances sur les processus cellulaires et moléculaires qui sont déclenchés à la suite de la lésion, notamment concernant la réponse inflammatoire et la dégénérescence wallérienne puisque ces deux réponses pourraient influencer la régénérescence d'axones lésés. À ce sujet, nous avons récemment démontré qu'il est possible d'induire une déplétion importante des cellules myéloïdes CD Il b + chez des souris transgéniques exprimant une forme mutée du gène suicide HSV -TKmt 30 sous le contrôle du promoteur CD Il b, un promoteur spécifique aux macrophages et aux granulocytes. Nos résultats indiquent que les cellules CD Il b + sont essentielles à la régénérescence d'axones périphériques et centraux en favorisant l'élimination des débris de myéline et des inhibiteurs de croissance axonale associés à ceux-ci de même que via la synthèse de facteurs neurotrophiques et pro-angiogéniques.

La douleur neuropathique suite à une lésion d'un nerf périphérique est une condition répandue pour laquelle aucun traitement efficace n'est disponible. Sans nier le rôle joué par les neurones au niveau du système nerveux central (SNC), des données récentes ont démontré la participation active des cellules gliales dans le développement de la douleur neuropathique. En effet, des études ont montré un rôle critique des cellules gliales dans l'initiation et la maintenance de l'hypersensibilité liée à la douleur. Cependant, les origines de ces cellules gliales activées et les déclencheurs de leur activation n'ont pas encore été élucidés. Nous avons démontré dans cette étude que suite à une blessure au nerf périphérique, causée par la ligation partielle du nerf sciatique, en plus des l'activation de microglies résidentes du SNC, les cellules hématogènes, macrophages/monocytes, infiltrent la moelle épiniere, prolifèrent et se différencient en microglies ramifiées. La signalisation entre la chimiokine "monocyte chemoattractant protein-1" (MCP-1, CCL2) et son récepteur CCR2 est critique dans l'activation des cellules microglials de la moelle épiniere. En effet, l'injection intrathécale de MCP-1 exogène entraine l'activation des microglies chez des souris sauvages, mais pas chez des souris déficientes en CCR2. De plus, un traitement avec un anticorps neutralisant dirigé contre MCP-1 a empêché l'infiltration de cellules microglials dérivées de la moelle osseuse (MDMO) dans la moelle épiniere après le dommage du nerf sciatique. En utilisant les souris CCR2 knock-out-sélectif dans la microglie résidente ou la MDMO, nous avons constaté que, bien que des souris CCR2 knock-out-total n'ont pas développé l'activation microgliale ni l'allodynie mécanique, l'expression de CCR2 soit dans les microglies résidentes ou dans les MDMO est suffisante pour le développement d'allodynie mécanique. Ainsi, pour soulager de façon efficace la douleur neuropathique, il faut viser non seulement la microglie résidente du SNC, mais aussi la microglie provenant de la circulation sanguine. Ces découvertes ouvrent la porte pour une nouvelle stratégie thérapeutique: on peut profiter de la capacité naturelle des cellules dérivées de la moelle osseuse qui s'infiltrent sélectivement des régions affectées du SNC en utilisant ces cellules comme le véhicule pour la livraison de médicaments afin de contrôler l'hypersensibilité et la douleur chronique.

Cette étude vise à identifier les déterminants de la qualité de vie à partir d'un cadre conceptuel reconnu dans le champ d'étude des conséquences des traumatismes ayant causé une lésion médullaire. De plus, elle a permis d'observer à long terme les changements de la participation sociale et de déterminer s'ils entraînaient des changements de la qualité de vie chez les personnes ayant une lésion. Deux-cent-vingt-sept personnes ont participé à l'étude en remplissant un cahier de collecte de donnée incluant pour la mesure de la variable dépendante, / 'Index de Qualité de Vie. Il apparaît que la qualité de vie est associée à des facteurs personnels tel que la dépression et l'optimisme mais aussi des facteurs environnementaux et aux habitudes de vie. À long terme, les résultats suggèrent que des changements, sur une période de 7 ans, au plan de la participation sociale soient associés à une amélioration ou une détérioration de la qualité de vie.

La microscopie optique chez les animaux vivants est un outil de recherche prometteur pour l’avancement de la neurobiologie. L’imagerie intravitale offre un aperçu en direct de la réponse des cellules individuelles aux dommages affectant le système nerveux. Combinée à la vaste gamme de souris transgéniques disponibles commercialement et compatibles avec différents modèles animaux de maladies neurodégénératives, la microscopie in vivo favorise la compréhension du déroulement des pathologies et du fonctionnement des thérapies. Il est capital de travailler à l’émergence de cet outil, qui se présente comme une stratégie dotée d’un énorme potentiel. Le projet de doctorat décrit dans cette thèse porte donc sur le développement et l’utilisation d’une plateforme de microscopie quantitative, multimodale et non linéaire pour l’imagerie de la moelle épinière chez les animaux vivants. Premièrement, nous avons enrayé la dépendance en polarisation de l’intensité du signal de diffusion Raman cohérente (CARS, « coherent anti-Stokes Raman scattering »), de façon à adapter les images à l’interprétation histologique. Nous avons appliqué cette technique afin d’étudier l’histologie de la myéline de la moelle épinière du rat. En second lieu, nous avons proposé une nouvelle procédure d’analyse d’images compatible avec l’imagerie d’animaux vivants, dans le but de faire de l’histologie des axones myélinisés. Nous avons alors quantifié, dans un modèle de blessure par écrasement d’un nerf, la démyélinisation proximale et la remyélinisation distale au site de lésion ex vivo et in vivo respectivement. Troisièmement, nous montrons que l’imagerie de CARS de la moelle épinière de souris vivantes peut être réalisée avec un microendoscope, et ce tout en conservant sa compatibilité avec le signal de fluorescence par excitation à deux photons. Finalement, nous discutons d’une stratégie de traitement numérique d’images pour réduire les artefacts reliés au mouvement de l’animal. Cette technique permet l’étude histologique de la myéline et la quantification de la motilité des cellules microgliales dans leur environnement natif. En définitive, cette thèse démontre que la microscopie de CARS in vivo progresse peu à peu vers un outil grand public en neurobiologie. / Optical microscopy in living animals is a promising research tool for the evolution of neurobiology. Intravital imaging offers a live preview of how individual cells respond to the nervous system damages. Applying in vivo microscopy to a panoply of transgenic mice used with different animal models of neurodegenerative diseases promotes the understanding of the progress of pathologies and the comprehension of how therapies work. It is thus essential to promote the emergence of optical microscopy technologies in living animals because it is a strategy with great potential. Therefore, the project described in this doctoral thesis focuses on the development and use of a microscopy platform for quantitative, multimodal and nonlinear imaging of the spinal cord in living animals. First, we alleviated the polarization dependence of the coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) signal intensity. This strategy makes images more amenable to histological interpretation. With this technique, we studied the histology of myelin in the rat spinal cord. Secondly, we proposed a new image analysis procedure compatible with live animals imaging in order to achieve the histology of myelinated axons. We quantified the demyelination proximal, and remyelination distal to the crush site ex vivo and in vivo respectively. Third, we showed that CARS imaging of the spinal cord in living mice can be achieved with a microendoscope, and this while maintaining compatibility with the two-photon excitation fluorescence signal. Finally, we discuss a digital image processing strategy that reduces imaging artifacts related to movement of the animal. This technique allows the histological study of myelin and the quantification of the motility of microglial cells in their native environment. Ultimately, this thesis demonstrates that in vivo CARS microscopy progresses gradually towards a robust tool for research in neurobiology.

Résumé : Le muscle squelettique étant d’une grande plasticité, il peut être la cible lors de thérapies en réhabilitation motrice. Toutefois, les structures neurales impliquées dans cette plasticité sont encore peu connues. Afin de déterminer si un mécanisme spinal est suffisant pour induire une plasticité musculaire, le nerf innervant le gastrocnémien latéral et le soleus a été sectionné unilatéralement chez 4 chats ayant retrouvé une locomotion au niveau des pattes arrières suite à une spinalisation complète. Des enregistrements électromyographiques et cinématiques ont été enregistrés avant et jusque 8 semaines après dénervation chez ces chats. Des analyses histologiques ont été réalisées pour les deux gastrocnémiens médial et latéral chez les 4 chats spinalisés et chez 4 chats intacts servant de contrôle. Chez les chats spinaux, la durée de cycle pour la patte ispilatérale et controlatérale à la dénervation pouvait être diminuée ou augmentée par rapport aux valeurs de pré-dénervation. Pour la durée de la phase d’appui, elle était généralement augmentée pour la patte controlatérale et diminuée pour la patte ipsilatérale. L’amplitude EMG du MG était augmentée bilatéralement après la dénervation et est restée élevée 8 semaines post dénervation. Concernant le poids des muscles, chez les chats spinaux, le LG ipsilatéral était significativement plus petit que le LG controlatéral alors que le MG ipsilatéral était plus gros que le MG controlatéral. Les analyses histologiques ont montré une plus grande aire pour les fibres de type IIa pour le MG ipsilatéral pour 3 des 4 chats. La densité de capillaires sanguins dans le MG ipsilatéral était aussi plus élevée que dans le MG controlatéral. Pour les chats intacts, aucune différence n’a été observée pour le poids, l’aire des fibres ou la densité capillaire entre les 2 MG. Ces résultats montrent que le muscle squelettique peut s’adapter même après une lésion de la moelle épinière, ce qui souligne l’importance de son utilisation en réhabilitation motrice. / Abstract : Skeletal muscle is highly plastic and can be targeted for motor rehabilitation. Although neural activity potently regulates muscle phenotype, the neural structures required are poorly defined. To determine if a spinal mechanism is sufficient for adaptive muscle plasticity, the nerve supplying the lateral gastrocnemius and soleus muscles was sectioned unilaterally in four cats that had recovered hindlimb locomotion following spinal transection. In these spinal cats, kinematics and electromyography (EMG) were collected before and for 8 weeks after denervation. Muscle histology was performed on the lateral (LG) and medial (MG) gastrocnemii bilaterally in four spinal and four intact cats. In spinal cats, cycle duration for the hindlimb ipsilateral or contralateral to the denervation could be increased or decreased compared to pre-denervation values. Stance duration was generally increased and decreased for the contralateral and ipsilateral hindlimbs, respectively. The EMG amplitude of MG was increased bilaterally following denervation and remained elevated 8 weeks post-denervation. In spinal cats, the ipsilateral LG was significantly smaller than the contralateral LG whereas the ipsilateral MG weighed significantly more than the contralateral MG. Histological characterizations revealed significantly larger fiber areas for Type IIa fibers of the ipsilateral MG in three of four spinal cats. Microvascular density in the ipsilateral MG was significantly higher than the contralateral MG. In intact cats, no differences were found for muscle weight, fiber area or microvascular density between homologous muscles. Results show that skeletal muscle remains remarkably adaptable after complete spinal cord injury, highlighting its importance to maximize force production in motor rehabilitation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.