Premier relais des informations sensorielles et nociceptives périphériques, la moelle épinière est le siège de traitements dynamiques complexes. L'objectif de ce travail est de caractériser la transformation subie par le signal (sa fonction de transfert) et de quantifier l'impact des différents paramètres du réseau. Pour cela, nous avons utilisé une approche multidisciplinaire mêlant théorie et expérimentation au travers du développement d'une nouvelle plateforme d'expérimentation hybride, basée sur le logiciel NEURON. Nous avons construit un modèle réaliste du réseau de la corne dorsale et développé des outils théoriques de quantification du signal et de sa transformation, provenant de la théorie de l'information. Nous avons pu ainsi pu mettre en évidence l'importance des propriétés régénératives cellulaires ainsi que du contrôle inhibiteur sur le transfert de l'information nociceptive. Nous aboutissons ainsi à une approche novatrice de pharmacologie virtuelle pour l'étude de la douleur.

La motivation de cette thèse est la dissection in vivo de la MB. Cette procédure permet d'isoler les faisceaux de la MB, qui jouent un rôle particulier dans le fonctionnement du cerveau, de façon à pouvoir les analyser. L'exécution manuelle de cette tache requiert une grande connaissance du cerveau et demande plusieurs heures de travail. Le développement d'une technique automatique est donc de la plus grande importance. Le cerveau est organisé tel un réseau reliant différentes régions. Ce réseau est important pour le développement de fonctions comme le langage. Certains troubles cognitifs peuvent être expliqués par des problèmes de connexion entres régions plutôt qu'à un dommage de ces dernières. Malgré plusieurs décennies de travail sur ces réseaux, nos connaissances sur le sujet n'ont pas beaucoup évoluées depuis le début du siècle dernier. Récemment, un développement spectaculaire des techniques de l'imagerie à résonance magnétique (IRM) à permis l'étude vivant du cerveau humain. Une technique permettant l'exploration les faisceaux de la matière blanche (MB) in vivo est l'IRM de diffusion (IRMd). En particulier, la trajectographie à partir de l'IRMd facilite le traçage des faisceaux de la MB. C'est donc une technique prometteuse afin d'explorer l'aspect cognitif de l'anatomie humaine ainsi que de ses troubles. Cette thèse contient plusieurs contributions : Nous développons des moyens d'automatiser la dissection de la MB, c'est a dire le cadre mathématique nécessaire à sa compréhension. Ces outils nous permettent ensuite de développer des techniques d'analyse de la moelle épinière et de recherche de différences dans la MB entre des individus sains et schizophrènes.

Notre projet porte sur l'étude fonctionnelle du facteur de transcription GATA2 qui contrôle la mise en place de certaines populations neuronales. Mon travail de thèse est basé sur l'étude de sa fonction dans la moelle épinière.<br />Dans la moelle épinière ventrale embryonnaire, les motoneurones et 4 classes d'interneurones V0, V1, V2 et V3 sont générés dans des territoires distincts. Les V2 sont spécifiés dans un territoire adjacent à celui des motoneurones et sont subdivisés en V2a et V2b. Notre but est de déterminer le rôle de Gata2 durant la spécification des V2 et son l'influence sur la prolifération des progéniteurs neuraux.<br />Par une approche de perte et gain de fonction, nous avons montré que :<br />1. Gata2 inhibe la prolifération des progéniteurs neuraux avec un effet cellulaire-non autonome, en induisant un inhibiteur du cycle et en réprimant la voie Notch. Ce contrôle peut être découplé de la différenciation neuronale et ne nécessite pas d'activité proneurale.<br />2. Gata2 joue favorise l'émergence des V2 et réprime la différenciation des motoneurones, par la modulation des voies Shh et TGF-Β. Gata2 participe à la dichotomie des V2 car il favorise la différenciation des V2b et inhibe celle des V2a. Nous avons montré que les V2a sont glutamatergiques et les V2b sont GABAergiques.<br />Cette étude a mis en évidence la complexité des mécanismes moléculaires à l'origine de la diversité neuronale.

L’inhibition est nécessaire à la génération d’outputs coordonnés entre muscles antagonistes lors de la locomotion. Une baisse de la concentration neuronale en ions chlorure au cours du développement des mammifères conduit à l’émergence de l’inhibition. Cette baisse repose sur l’équilibre entre deux cotransporteurs cation-chlorure, KCC2 et NKCC1. KCC2 expulse Cl- de la cellule alors que NKCC1 pompe Cl- dans la cellule. L’opossum Monodelphis domestica naît dans un état très immature. Le seul comportement locomoteur qu’il présente à la naissance consiste en des mouvements rythmiques et alternés des membres antérieurs pour grimper le long du ventre de la mère vers une tétine. Les membres postérieurs sont des bourgeons immobiles dont le développement est en grande partie postnatal. Pour cette raison, cette espèce constitue un modèle idéal pour l’étude du développement locomoteur. Afin d’étudier les mécanismes conduisant à l’émergence de l’inhibition durant le développement moteur, nous avons décrit l’expression développementale de KCC2 et NKCC1 chez l’opossum postnatal par immunohistochimie au niveau des renflements spinaux. Les motoneurones et afférences primaires ont été identifiés en utilisant un marquage rétrograde au TRDA. Le marquage pour KCC2 et NKCC1 est détecté dans la moelle épinière ventrale dans la matière grise et blanche présomptive dès la naissance, ce qui suggère que l’inhibition serait déjà mise en place avant la naissance, permettant subséquemment l’alternance des membres antérieurs observée chez les nouveau-nés. L’expression développementale de KCC2 et NKCC1 suit des gradients ventrodorsal et médiolatéral, tels qu’observés chez les rongeurs (rats et souris). Le patron mature d’expression de ces cotransporteurs est observé aux alentours de la 5ème semaine postnatale lorsque la locomotion de l’opossum est mature. Enfin, entre la naissance et P5, les dendrites exprimant KCC2 au niveau de la corne dorsale sont retrouvées en apposition aux afférences primaires ce qui suggère un rôle de KCC2 dans la formation des circuits sensori-moteurs. / Inhibition is necessary to generate coordinated outputs between antagonistic muscles during locomotion. Inhibition is set by a lowering in neuronal chloride concentration during mammalian development. This lowering relies on the proper balance between two cation-chloride cotransporters, KCC2 and NKCC1. KCC2 extrudes Cl- out of the cell while NKCC1 pumps Cl- into the cell. The opossum Monodelphis domestica is born at a very rudimentary stage of development. Newborn opossums show rhythmic and alternate movements of the forelimbs as they crawl on the mother's belly to a nipple. The hindlimbs are immobile paddle-shaped buds and their development is mostly postnatal. Thus, this species is an ideal model to study motor development. In order to investigate the mechanisms involved in the appearance of inhibition during motor development, we described the developmental expression of KCC2 and NKCC1 on postnatal opossums using immunohistochemistry in the spinal cord enlargements. Motoneurons and primary sensory afferents were identified using retrograde labeling with TRDA. Immunolabeling for both KCC2 and NKCC1 is detected in the ventral spinal cord in the presumptive grey and white matter from birth on, suggesting that the development of inhibition begins before birth, enabling the alternate movements exhibited by the newborns. The developmental expression of KCC2 and NKCC1 follows ventrodorsal and mediolateral gradients, similar to those demonstrated in rodents (rats and mice). The mature pattern for both cotransporters is observed around the 5th week at a time when opossums demonstrate mature patterns of locomotion. Between birth and P5, dendrites expressing KCC2 in the dorsal horn superimpose on the primary afferents, suggesting a role for KCC2 in the establishment of sensorimotor circuits.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La myélopathie cervicale est une maladie chronique dégénérative de la moelle épinière dont la fréquence augmente avec l’âge. Elle est caractérisée par une compression mécanique menant à un endommagement de la structure médullaire et peut être source de handicaps sévères dégradant la qualité de vie. Néanmoins, la prise en charge clinique reste délicate.C’est pourquoi les travaux conduits dans le cadre de cette thèse se sont focalisés sur la compréhension des phénomènes biomécaniques à l’origine de cet endommagement (via des méthodes de simulation par éléments finis) et les conséquences microstructurelles pouvant être observées par IRM multi-paramétrique. Plus précisément, le but était d’établir un lien entre la cause mécanique et les conséquences structurelles menant aux déficits cliniques afin de mieux comprendre et prédire l’évolution de ces pathologies.Pour atteindre cela, une caractérisation de la morphologie et microstructure de la moelle épinière saine a été conduite par IRM, procurant à la fois une source de données normatives pour évaluer les atteintes chez patients mais aussi des données d’entrée pour raffiner les modèles numériques utilisés. D’un point de vue biomécanique, les phénomènes mécaniques observés lors d’une compression médullaire telle que pouvant être rencontrée dans une myélopathie cervicale ont été étudiés. Bien qu’à confirmer, les résultats obtenus au cours de ces travaux sont encourageants et posent une première pierre vers l’établissement de nouvelles méthodes permettant de mieux comprendre l’origine des déficits observés chez des patients souffrant de lésions médullaires en étudiant le lien entre mécanique, microstructure et fonction. / Cervical myelopathy is a chronic degenerative spinal cord pathology whose incidence increases with age. It is characterized by a mechanical compression leading to structural spinal cord damage. It can be at the origin of severe handicap hampering the quality of life. However, the clinical management remains challenging.This is why the work conducted in this thesis was focused on the comprehension of the biomechanics of the spinal cord damage (through numerical simulation finite element methods) and microstructural consequences that can be observed with multi-parametric MR imaging. More specifically, the final goal was to link the mechanical cause to the structural consequences at the origin of the clinical deficits in order to better understand and predict the pathology’s evolution.To reach that end, a characterization of the morphology and microstructure of the spinal cord was achieved using MRI, procuring on one side a normative database useful to study the alterations encountered in patients, and on another side to refine the numerical models employed. From a biomechanical perspective, the mechanisms of spinal cord compression as encountered in cervical myelopathy were studied using finite element analysis. The results obtained, which should be confirmed, are encouraging and represent a first stone towards the establishment of new methods in order to help in the clinical management of patients with spinal cord lesions by linking the mechanics, microstructure and function of the spinal cord.

La moelle épinière assure la transmission des messages nerveux entre l’encéphale et le reste du corps et assure la coordination des mouvements rythmiques de la locomotion. Elle est constituée d’un grand nombre de types différents d’interneurones et de neurones moteurs, organisés en circuits neuronaux. Les circuits impliqués dans la transmission des informations sensorielles et dans les mouvements des membres sont localisés respectivement dans les parties dorsale et ventrale de la moelle épinière. Les mécanismes moléculaires contrôlant la spécification de ces différents types de neurones dans la moelle épinière restent actuellement mal connus. Au cours de mon travail de thèse, je me suis intéressée à la famille des gènes Prdm (PR Domain containing methyltransferase). Ces gènes sont conservés évolutivement. Ils codent pour des facteurs de transcription jouant des rôles importants dans le développement embryonnaire et sont fréquemment impliqués dans des maladies chez l’Homme. Ces facteurs sont caractérisés par la présence d’un domaine PR semblable au domaine SET trouvé dans des protéines à activité histone méthyltransférase et d’un nombre variable de doigts à zinc. Je me suis focalisée essentiellement sur les gènes Prdm12 et Prdm13, des gènes exprimés de manière précoce et localisés dans le système nerveux en développement et dont la fonction était totalement inconnue. Nos résultats ont montré que l’expression de Prdm12 dans la partie ventrale de la moelle épinière est dépendante de l’acide rétinoïque et du facteur de transcription Pax6 et que Prdm12 est restreint au domaine p1 via l’action répressive des facteurs de transcription Dbx1 et Nkx6 exprimés dans les domaines de progéniteurs adjacents. Prdm12 fonctionne comme déterminant de la destinée des interneurones V1, des interneurones impliqués dans le contrôle des mouvements de la locomotion et essentiels à la survie des neurones moteurs. Prdm12 agirait en réprimant, probablement directement, l’expression des gènes Dbx1 et Nkx6.1/2, ses domaines PR et ZnF étant tous deux requis pour son activité. Nos données indiquent aussi que Prdm13, qui est exprimé dans la partie dorsale de la moelle épinière, constitue une cible directe du complexe Ptf1a-Rbpj et qu’il est requis en aval de Ptf1a pour une balance correcte des neurones glutamatergiques et GABAergiques. Elles suggèrent que Prdm13 fonctionnerait, au moins en partie, en bloquant l’activité d’autres facteurs proneuraux tels que Ngn2 (Neurog2) ou Ascl1 (Mash1) présents dans la partie dorsale de la moelle épinière et qui induisent une destinée excitatrice glutamatergique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Chez les rongeurs et humains, un « tonus » cholinergique spinal endogène modulant les comportements nociceptifs (douloureux) a été décrit. Une source potentielle de cette acétylcholine sont les interneurones cholinergiques de la corne dorsale (CD) de la moelle épinière. Nos objectifs étaient les suivants : (1) caractériser le « tonus » cholinergique spinal responsable de l’établissement des seuils mécaniques nociceptifs et (2) élucider le rôle des neurones cholinergiques CD dans la modulation de l'information sensorielle chez des animaux naïfs et neuropathiques. Nous avons confirmé la présence d'un « tonus » cholinergique qui module les seuils mécaniques et démontré qu'il est encore présent, bien qu'il soit modifié, après une neuropathie. Les interneurones cholinergiques reçoivent des entrées excitatrices localisées sur des segments plus distants et reçoivent généralement une faible fréquence d’entrées inhibitrices. De plus, ils sont indirectement reliés par des afférences primaires nociceptives qui expriment TRPV1, ce qui démontre leur implication dans le circuit nociceptif. Dans les conditions neuropathiques, les entrées des neurones LIII / IV ne sont pas affectées après une lésion du nerf périphérique. Une meilleure compréhension du système cholinergique spinal peut ouvrir la voie à une thérapie alternative contre la douleur. / An endogenous spinal cholinergic tone modulating nociceptive (pain­like) behaviors has been demonstrated in rodents and humans. One potential source of this acetylcholine is the spinal Dorsal Horn (DH) cholinergic interneurons. Our objectives were to: (1) characterize the spinal cholinergic tone establishing mechanical nociceptive thresholds and (2) to elucidate the role of DH cholinergic neurons in the modulation of sensory information of naïve and neuropathic animals. We have confirmed the presence of a cholinergic tone modulating mechanical thresholds and demonstrated that it is still present, although altered, after neuropathy. The DH cholinergic interneurons receive excitatory inputs from distant spinal segments and generally receive lower inhibitory inputs. In addition, they are indirectly connected by a subset of nociceptive primary afferents expressing TRPV1, demonstrating their involvement in nociceptive processing. In neuropathic spinal circuits, the inputs to LIII/IV neurons appears to be unaffected after injury. Better understanding the spinal cholinergic system can pave way to alternative pain therapy.

Les études basées sur l’utilisation de modèles murins de la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) portent très souvent sur des stades symptomatiques ou pré-symptomatiques. Des données existent cependant montrant que des altérations morphologiques des motoneurones existent aux stades post-nataux, suggérant que la SLA pourrait être une maladie neurodéveloppementale. Dans ce travail de thèse basé sur l’utilisation du modèle murin SOD1G93A de la SLA, nous avons cherché à savoir si dès le développement des réseaux moteurs, des perturbations existaient notamment au niveau de la mise en place des inhibitions, c'est-à-dire au niveau de l’homéostasie chlorure. En effet, nous pensons qu’une mauvaise construction du réseau pendant la vie embryonnaire serait la cause des dysfonctionnements observés lors de la survenue de la SLA. Nos données mettent en évidence que la morphologie des motoneurones est modifiée chez les embryons SOD1G93A au stade de développement E17,5 par rapport aux embryons WT et que cette modification de morphologie induit une hyperexcitabilité. De plus, nous montrons une altération du potentiel d’équilibre des ions chlorure (ECl) due à une modification de l’équilibre de la balance des co-transporteurs NKCC1/KCC2. Enfin, nous avons cherché à savoir si une modification du ECl avait une conséquence fonctionnelle au niveau de la mise en place de l’activité locomotrice exprimée par le réseau spinal lombaire. En conclusion, les travaux de cette thèse démontrent pour la première fois un déficit développemental au niveau du modèle murin SOD1G93A et ouvre des perspectives sur la recherche des mécanismes de compensations opérant jusqu’à la survenue du phénotype de la maladie. / Most studies based on the use of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) mouse models focus on symptomatic or presymptomatic periods. However, morphological alterations of ALS motoneurons have been described in post-natal stages, suggesting that ALS could be a neurodevelopmental disease. In this PhD Thesis, based on the use of the SOD1G93A mouse model of ALS, we tried to know if during the embryonic development of the spinal motoneuronal networks, alterations occur particularly at the level of the maturation of GABA/Glycine inhibition, driven by the chloride homeostasis. Indeed, we believe that a wrong construction of the motor network during the embryonic life may be the cause of the troubles observed at the onset of ALS. Our data show that the morphology of motoneurons is altered in E17,5 SOD1G93A embryos compared to WT embryos and that this changes in morphology induced hyperexcitability. In addition, we show an alteration of the equilibrium potential of chloride ions (ECl) due to a modification of the balance of NKCC1/KCC2 chloride co-transporters. Finally, we tried to know if a modification of the ECl had functional consequences in the development of locomotor activity expressed by the lumbar spinal network. In conclusion, the work of this PhD Thesis demonstrates, for the first time, a developmental deficit in the SOD1G93A mouse model and opens new perspectives based on understanding compensatory mechanisms occuring until the appearance of the disease.

Les pathologies du motoneurone sont caractérisées par une atteinte progressive des motoneurones au niveau de la corne antérieur de la moelle épinière. Au delà de cette susceptibilité anatomique commune, qui est responsable d’une atteinte motrice progressive et diffuse dans ces pathologies, d’autres systèmes neurologiques sont touchés. La dégénérescence du faisceau corticospinal est une caractéristique classique dans la sclérose latérale amyotrophique, qui est la maladie du motoneurone la plus commune chez l’adulte. Cependant, il est de plus en plus reconnu que la SLA est une maladie multisystémique. En particulier, une atteinte précoce du système sensoriel a été démontrée dans la modèle animal de la SLA ainsi que dans l’amyotrophie spinal liée à la mutation du gène SMN1 (survival motor neuron 1 en anglais). Chez les patients, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) a émergé comme l’approche la plus performant à l’étage cérébral, permettant d’extraire des indices quantitatifs sur la perte neuronale, la dégénérescence axonale et la démyélinisation dans les pathologies neurodégénératives. Cependant, l’investigation de l’étage médullaire dans ces pathologies est difficile à mener à cause des nombreux défis techniques et méthodologiques que représente l’IRM de la moelle épinière.L’objectif de ce projet de thèse a été d’utiliser l’approche IRM multiparamétrique au niveau de la moelle épinière pour analyser les structures de la matière grise et blanche qui sont atteintes dans deux des pathologies du motoneurone les plus répondues, c’est-à-dire la SLA et la SMA, leurs altérations au cours du temps et leurs corrélations fonctionnelles avec les données cliniques et électrophysiologiques. / Degenerative motor neuron diseases (MND) are characterized by a progressive dysfunction and loss of ventral horn motor neurons of the spinal grey matter. Beyond this common anatomical susceptibility, which is responsible for a progressive and diffuse weakness, other neurological systems are also impaired. The corticospinal tract (CST) degeneration is a classical feature of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), which is the most common adult onset motor neuron disease, but a more widespread multisystem involvement is now well recognized. In particular, early sensory system involvement has been demonstrated in animal models of ALS and also of survival motor neuron 1 gene linked spinal muscular atrophy (SMN1-linked SMA). In human patients, magnetic resonance imaging (MRI) has emerged as the most powerful approach at the brain level to extract quantitative data on neuronal loss, axonal degeneration and demyelination in degenerative conditions. Studies at the spinal cord levels are scarce mainly because of technical and methodological difficulties. The objective of the present thesis project was to use a multi-parametric MRI approach at the spinal cord level to analyze grey and white matter structures that are impaired in two most common MND, i.e. ALS and SMN1-linked SMA, their temporal alterations during the disease course and the functional correlates, as assessed by clinical and electrophysiological examinations.