Les effets de la stimulation électrique sur la dynamique des systèmes neuronaux épileptiques sont encore méconnus. L'objectif principal de cette thèse est de progresser dans la compréhension des effets attendus en fonction des paramètres de stimulation. Dans la première partie du manuscrit, un modèle mésoscopique (population neuronale) de la boucle thalamocorticale est proposé pour étudier en détails les effets de stimulation indirecte (thalamique), avec une attention particulière sur la fréquence. Des signaux EEG intracérébraux acquis chez un patient souffrant d'épilepsie pharmaco-résistante ont d'abord été analysés selon une approche temps-fréquence (algorithme de type Matching Pursuit). Les caractéristiques extraites ont ensuite été utilisées pour identifier les paramètres du modèle proposé en utilisant une approche exhaustive (minimisation de la distance entre signaux simulés et réels). Enfin, le comportement dynamique du modèle a été étudié en fonction de la fréquence du signal de stimulation. Les résultats montrent que le modèle reproduit fidèlement les signaux observés ainsi que la relation non linéaire entre la fréquence de stimulation et ses effets sur l'activité épileptique. Ainsi, dans le modèle, la stimulation à basse fréquence (SBF ; fs <20 Hz) , et la stimulation à haute fréquence (SHF ; fs > 60 Hz) permettent d'abolir les dynamiques épileptiques, alors que la stimulation à fréquence intermédiaire (SFI; 20 < fs < 60 Hz) n'ont pas d'effet , comme observé cliniquement. De plus, le modèle a permis d'identifier des mécanismes cellulaires et de réseau impliqués dans les effets modulateurs de la stimulation. La deuxième partie du manuscrit porte sur les effets polarisants de la stimulation directe en courant continu (CC) de la zone épileptogène dans le contexte de l'épilepsie mésiale du lobe temporal (EMLT). Un modèle biomathématique bien connu de la région hippocampique CA1 a été adapté pour cette étude. Deux modifications sont été intégrées au modèle, 1) une représentation physiologique de l'occurrence des décharges paroxystiques hippocampiques (DPH) basée sur une identification de leurs statistiques d'occurrence basée sur des données expérimentales (modèle in vivo d'EMLT)et 2) une représentation électrophysiologiquement plausible de la stimulation prenant en compte l'interface électrode-électrolyte. L'analyse de la sortie du modèle en fonction de la polarité de stimulation, a montré qu'une réduction (resp. augmentation) significative des DPH (en durée et en fréquence) sous stimulation anodale (resp. cathodole). Un protocole expérimental a ensuite été proposé et utilisé afin de valider les prédictions du modèle. / The effects of electrical stimulation on the dynamics of epileptic neural systems are still unknown. The main objective of this thesis is to progress the understanding of the expected effects as a function of stimulation parameters. In the first part of the manuscript, a mesoscopic model (neural population) of the thalamocortical loop is proposed to study in details the effects of indirect stimulation (thalamic), with a particular attention to stimulation frequency. Intracerebral EEG signals acquired from a patient with drug-resistant epilepsy were first analyzed using a time-frequency approach (Matching Pursuit algorithm). The extracted features were then used to optimize the parameters of the proposed model using a Brute-Force approach (minimizing the distance between simulated and real signals). Finally, the dynamical behavior of the model was studied as a function of the frequency of the stimulation input. The results showed that the model reproduces the real signals as well as the nonlinear relationship between the frequency of stimulation and its effects on epileptic dynamics. Thus, in the model, low-frequency stimulation (LFS; fs <20 Hz) and high-frequency stimulation (HFS; fs > 60 Hz) suppress epileptic dynamics, whereas intermediate-frequency stimulation (IFS; 20 < fs <60 Hz) has no effect, as observed clinically. In addition, the model was used to identify the cellular and network mechanisms involved in the modulatory effects of stimulation. The second part of the manuscript addresses the polarizing effects of direct current (DC) stimulation of the epileptogenic zone in the context of the mesial temporal lobe epilepsy (MTLE). A well-known computational model of the hippocampal CA1 region was adapted for this study. Two modifications were added to the model: 1) a physiological representation of the occurrence of hippocampal paroxysmal discharges (HPD) based on the statistical identification of their occurrence in experimental data (in vivo model of MTLE) and 2) an electrophysiologically plausible representation of the stimulation inputs taking into account the electrode-electrolyte interface. The analysis of the model output as a function of the polarity of stimulation, showed a significant reduction (resp. increase) of HPDs (duration and frequency) in anodal stimulation (resp. cathodol). An experimental protocol was then proposed and used to validate the model predictions.

Les astrocytes sont des cellules gliales du système nerveux central, essentielles à la formation des synapses, à la barrière hémato-encéphalique ainsi qu’au maintien de l'homéostasie. Récemment, les astrocytes ont été identifiés comme éléments clés du traitement de l'information dans le système nerveux central. Les astrocytes peuvent communiquer avec les neurones au niveau des synapses et moduler la communication neuronale en libérant des gliotransmetteurs et en absorbant des neurotransmetteurs. L’utilisation de nouvelles techniques comme la microscopie à super-résolution et les indicateurs calciques encodés génétiquement a permis de révéler une grande diversité spatio-temporelle des signaux calciques astrocytaires. La majorité de ces signaux sont observés au sein de leurs prolongements cellulaires, qui sont le site de communication entre neurones et astrocytes. Ces prolongements sont trop fins pour être observés en microscopie optique conventionnelle, de sorte que la microscopie à super-résolution et la modélisation informatique sont les seules méthodes adaptées à leur étude. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but d’étudier l'effet des propriétés spatiales (telles que la géométrie cellulaire, les distributions moléculaires et la diffusion) sur les signaux calciques dans les prolongements astrocytaires. Historiquement, les signaux calciques ont été modélisés à l'aide d'approches déterministes non spatiales. Ces modèles ont permis l'étude des signaux calciques à l’échelle de la cellule entière voire à l’échelle du réseau de cellules. Ces méthodes ne prennent cependant pas en compte la stochasticité inhérente aux interactions moléculaires ainsi que les effets de diffusion, qui jouent un rôle important dans les petits volumes. Cette thèse présente un modèle stochastique et spatial qui a été développé dans le but d’étudier les signaux calciques dans les prolongements fins astrocytaires. Ce travail a été réalisé en collaboration avec des expérimentateurs, qui nous ont fourni des données de microscopie électronique et à super-résolution. Ces données ont permis de valider le modèle. Les simulations du modèle suggèrent que (1) la diffusion moléculaire, fortement influencée par la concentration et la cinétique des buffers calciques endogènes et exogènes, (2) l'organisation spatiale intracellulaire des molécules, notamment le co-clustering des canaux calciques, (3) la géométrie du reticulum endoplasmique et sa localisation dans la cellule, (4) la géométrie cellulaire influencent fortement les signaux calciques et pourraient être responsables de leur grande diversité spatio-temporelle. Ces travaux contribuent à une meilleure compréhension du traitement de l’information par les astrocytes, un prérequis pour une meilleure compréhension de la communication entre les neurones et les astrocytes ainsi que de son influence sur le fonctionnement du cerveau. / Astrocytes are predominant glial cells in the central nervous system, which are essential for the formation of synapses, participate to the blood-brain barrier and maintain the metabolic, ionic and neurotransmitter homeostasis. Recently, astrocytes have emerged as key elements of information processing in the central nervous system. Astrocytes can contact neurons at synapses and modulate neuronal communication via the release of gliotransmitters and the uptake of neurotransmitters. The use of super-resolution microscopy and highly sensitive genetically encoded Ca2+ indicators (GECIs) has revealed a striking spatiotemporal diversity of Ca2+ signals in astrocytes. Most astrocytic signals occur in processes, which are the sites of neuron-astrocyte communication. Those processes are too fine to be resolved by conventional light microscopy so that super-resolution microscopy and computational modeling remain the only methodologies to study those compartments. The work presented in this thesis aims at investigating the effect of spatial properties (as e.g cellular geometry, molecular distributions and diffusion) on Ca2+ signals in those processes, which are deemed essential in such small volumes. Historically, Ca2+ signals were modeled with deterministic well-mixed approaches, which enabled the study of Ca2+ signals in astrocytic networks or whole-cell events. Those methods however ignore the stochasticity inherent to molecular interactions as well as diffusion effects, which both play important roles in small volumes. In this thesis, we present the spatially-extended stochastic model that we have developed in order to investigate Ca2+ signals in fine astrocytic processes. This work was performed in collaboration with experimentalists that performed electron as well as super-resolution microscopy. The model was validated against experimental data. Simulations of the model suggest that (1) molecular diffusion, strongly influenced by the concentration and kinetics of endogenous and exogenous buffers, (2) intracellular spatial organization of molecules, notably the co-clustering of Ca2+ channels, (3) ER geometry and localization within the cell, (4) cellular geometry strongly influence Ca2+ dynamics and can be responsible for the striking diversity of astrocytic Ca2+ signals. This work contributes to a better understanding of astrocyte Ca2+ signals, a prerequisite for understanding neuron-astrocyte communication and its influence on brain function.