This project describes design of the system for diagnosis Parkinson’s disease based on speech. Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder of the central nervous system. One of the symptoms of this disease is disability of motor aspects of speech, called hypokinetic dysarthria. Design of the system in this work is based on the best known segmental features such as coefficients LPC, PLP, MFCC, LPCC but also less known such as CMS, ACW and MSC. From speech records of patients affected by Parkinson’s disease and also healthy controls are calculated these coefficients, further is performed a selection process and subsequent classification. The best result, which was obtained in this project reached classification accuracy 77,19%, sensitivity 74,69% and specificity 78,95%.

This diploma thesis deals with an analysis of subject’s movement during measurements with funcional magnetic resonance imaging (fMRI). It focuses on methods of a movement artifacts detection and their removal in fMRI images. Thesis deals with metrics which are used for the movement rate of measured subjects evaluation. Metrics and a correction of movement are implemented into the programme in MATLAB. Comparison of subjects suffering from Parkinson’s disease with a group of healthy control was carried out. Tresholds of individual metrics were suggested and a criterion for the removal of subjects with high movement rate was determined.

Le traitement de référence de la maladie de Parkinson (MP) reste l’utilisation du précurseurdirect de la dopamine: la L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-Dopa). Le traitement chroniquedes patients parkinsoniens à la L-Dopa induit, en revanche, systématiquement desmouvements involontaires anormaux que l’on qualifie de dyskinésies induites par la L-Dopa(DIL). L’étude de l’expression des dyskinésies s’est essentiellement focalisée sur lesdysfonctions neuronales engendrées dans les régions motrices des ganglions de la base et apermis de révéler une surexpression significative de gènes de réponse précoce (GRP) tels que: ΔFosB, ARC, Zif268 et FRA2 dans le striatum de rats dyskinétiques traités chroniquement à la L–Dopa. En revanche, plusieurs autres régions dopaminoceptives, probablement affectées par la dopamine exogène nouvellement synthétisée, ont été négligées alors qu’elles pourraient jouer un rôle clé dans l’expression des dyskinésies. Par conséquent, nous avons quantifié l’expression de ΔFosB, ARC, FRA2 et Zif268 dans l’ensemble du cerveau de rats dyskinétiques que nous avons comparée à des rats non-dyskinétiques. Cette approche nous a permis d’identifier 9 structures, localisées en dehors des ganglions de la base, présentant une surexpression d’au moins 3 des GRPs cités ci-dessus. Parmi ces structures, le domaine dorsolatéral du « bed nucleus of the stria terminalis » (dlBST) et l’habenula latérale (LHb) montrent une corrélation significative entre l’expression de ΔFosB et la sévérité des dyskinésies. Nous avons donc fait l’hypothèse que ces 2 structures pouvaient être impliquées dans l’expression des dyskinésies. Par conséquent, pour évaluer le rôle potentiel du dlBST et de la LHb dans les dyskinésies, nous avons inhibé l’activité électrique des neurones exprimant FosB/ΔFosB en utilisant la méthode d’inactivation sélective du Daun02/ß-galactosidase que nous avons précédemment validée dans une structure bien connue pour être impliquée dans les dyskinésies: le striatum. Nous avons démontré que l’inhibition de ces neurones, à la fois dans le dlBST et la LHb, diminuait la sévérité des dyskinésies sans affecter l’effet bénéfique de la L-Dopa chez les rats dyskinétiques. Nous avons ensuite pu confirmer l’implication du dlBST grâce au model de référence des dyskinésies: le macaque dyskinétique lésé au MPTP. L’ensemble de ces résultats nous a ainsi permis de montrer, pour la première fois, l’implication fonctionnelle de 2 structures externes aux ganglions de la base dans l’expression des dyskinésies, offrant de nouvelles perspectives thérapeutiques. / The gold standard treatment for Parkinson’s disease (PD) remains the dopamine precursor L- 3,4-dihydroxyphenylalanine (L-Dopa). Long-term L-Dopa treatment systematically leads to abnormal involuntary movements (AIMs) called L-Dopa-induced dyskinesia (LID). These manifestations first led to investigate the neuronal dysfunctions in the motor regions of thebasal ganglia and unravelled an overexpression of ΔFosB, ARC, Zif268 and FRA2 immediate-early genes (IEG) in the dopamine-depleted striatum of dyskinetic rats. However, other several dopaminoceptive structures, likely affected by the exogenously produced dopamine, have been neglected although they might play a key role in mediating LID. Hence, we assessed the expression of ΔFosB, ARC, FRA2 and Zif268 IEGs in the whole brain of dyskinetic rats compared to non-dyskinetic ones. Such approach shed light notably upon 9 structures located outside of the basal ganglia displaying an IEG overexpression. Among them, the dorsolateral bed nucleus of the stria terminalis (dlBST) and the lateralhabenula (LHb) displayed a significant correlation between ΔFosB expression and LID severity. We therefore postulated that these structures might play a role in LID manifestation. Therefore, to assess dlBST and LHb causal roles upon LID severity, we inhibited the electrical activity of FosB/ΔFosB-expressing neurons using the selective Daun02/β- galactosidase inactivation method that we previously validated in a well known structure involve in LID: the striatum. Interestingly, the inactivation of dlBST and LHb ΔfosBexpressing neurons alleviated LID severity and increased the beneficial effect of L-Dopa in dyskinetic rats. Remarkably, BST involvement in LID was confirmed in the gold standard model of LID, the dyskinetic MPTP-lesioned macaque. Altogether, our results highlight for the first time the functional involvement of 2 structures.

La maladie de Parkinson est caractérisée par la manifestation de symptômes moteursprincipalement dus à la dégénérescence du système dopaminergique. Malgré l'accent mis surles déficits moteurs, la maladie de Parkinson est également caractérisée par des symptômesnon moteurs, incluant l'anxiété et la dépression, qui sont sous-étudiés et de ce fait pas bientraités. Alors que certaines études cliniques ont suggéré que l'anxiété et la dépressionpourraient être associées à la dégénérescence des neurones dopaminergiques, d'autres ontsuggéré l'implication de la dégénérescence des neurones noradrénergiques etsérotoninergiques dans les troubles observés mais également dans les effets induits par laLévodopa et la stimulation cérébrale profonde du noyau sous-thalamique.Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle respectif de la dopamine, de lanoradrénaline et de la sérotonine dans la manifestation des déficits parkinsoniens moteurs etnon moteurs chez le rat. L’ensemble de nos résultats démontre que malgré l’importance dusystème dopaminergique, la perturbation des trois systèmes monoaminergiques joue un rôleimportant à la fois dans la manifestation des troubles moteurs et non moteurs.Nous avons également étudier l’impact des monoamines sur l’efficacité des traitementsantiparkinsoniens, à savoir, la Lévodopa et la stimulation cérébrale profonde du noyau sousthalamique,sur les troubles observés. Nos résultats montrent que la déplétion combinée dessystèmes monoaminergiques peut altérer l’efficacité de la Lévodopa ainsi que de lastimulation cérébrale profonde sur certains troubles. Ces résultats peuvent expliquer lemanque d’efficacité des traitements antiparkinsoniens chez certains patients et la difficulté àtraiter tous les symptômes.Pour finir, nous avons voulu mettre en évidence le lien entre le noyau sous-thalamique,structure excitatrice des ganglions de la base et les troubles moteurs, ainsi que l’amygdalebasolatérale et l’habénula latérale, structures impliquées dans les comportements émotionnels,et les troubles non moteurs. Nous avons mis en évidence le parallèle existant entre lesmodifications du mode de décharge des neurones du NST et les troubles moteurs, leschangements de l’amygdale basolatérale et les troubles anxieux ainsi que ceux de l’habénulalatérale et les troubles dépressifs.Les résultats de ces travaux de thèse ont donc permis d’apporter de nouvelles évidences surl’implication des trois systèmes monoaminergiques dans la physiopathologie et la thérapie dela maladie de Parkinson. / Parkinson’s disease is characterized by the manifestation of motor symptoms mostlyassociated with the degeneration of dopaminergic neurons. While Parkinson’s disease is oftenfocused on motor deficits, the disease is also characterized by non-motor deficits, includinganxiety and depression, which are under studied and consequently are not well treated.Whereas some clinical studies suggested that anxiety and depression could be linked to thedegeneration of dopaminergic neurons, others suggested the involvement of norepinephrineand serotonin in the observed symptoms and also in the efficacy of Levodopa and deep brainstimulation of the subthalamic nucleus.In a first time, we investigated the respective role of the neuronal degeneration of dopamine,noradrenaline and serotonin in the manifestation of motor and non-motor parkinsonian-likedisorders in the rat. Our results demonstrate that despite the importance of the dopaminergicsystem, the disturbances in the three-monoaminergic systems play a key role in themanifestation of motor and non-motor deficits.In a second time, we studied the impact of monoamine depletions on the efficacy ofantiparkinsonian treatments, the Levodopa and deep brain stimulation of the subthalamicnucleus. Our results showed that the combined depletions could deteriorate the efficacy of theLevodopa and of the deep brain stimulation on some deficits. Together, these results canexplain the lack of efficacy of the antiparkinsonian treatments in some patients and thedifficulty to treat all the symptoms.Finally, we investigated the link between the subthalamic nucleus, which is an excitatorystructure of the basal ganglia, and the motor deficits, as well as the involvement of thebasolateral amygdala and the lateral habenula in emotional control of the behavior, and nonmotordeficits. We showed the parallel between changes in the neuronal activity of thesubthalamic nucleus and the motor deficits, of the basolateral amygdala and anxiety and ofthe lateral habenula and depression.Results from this thesis provide new evidences on the involvement of the threemonoaminergicsystems in the pathophysiology and the therapy of Parkinson’s disease.

Background: Medication-related interferences with measurements of catecholamines and their metabolites represent important causes of false-positive results during diagnosis of phaeochromocytomas and paragangliomas (PPGLs). Such interferences are less troublesome with measurements by liquid chromatography with tandem mass-spectrometry (LC-MS/MS) than by other methods, but can still present problems for some drugs. Levodopa, the precursor for dopamine used in the treatment of Parkinson’s disease, represents one potentially interfering medication. Methods: Plasma and urine samples, obtained from 20 Parkinsonian patients receiving levodopa, were analysed for concentrations of catecholamines and their O-methylated metabolites by LC-MS/MS. Results were compared with those from a group of 120 age-matched subjects and 18 patients with PPGLs. Results: Plasma and urinary free and deconjugated (freeþconjugated) methoxytyramine, as well as urinary dopamine, showed 22- to 148-fold higher (P<0.0001) concentrations in patients receiving levodopa than in the reference group. In contrast, plasma normetanephrine, urinary noradrenaline and urinary free and deconjugated normetanephrine concentrations were unaffected. Plasma free metanephrine, urinary adrenaline and urinary free and deconjugated metanephrine all showed higher (P<0.05) concentrations in Parkinsonian patients than the reference group, but this was only a problem for adrenaline. Similar to normetanephrine, plasma and urinary metanephrine remained below the 97.5 percentiles of the reference group in almost all Parkinsonian patients. Conclusions: These data establish that although levodopa treatment confounds identification of PPGLs that produce dopamine, the therapy is not a problem for use of LC-MS/MS measurements of plasma and urinary normetanephrine and metanephrine to diagnose more commonly encountered PPGLs that produce noradrenaline or adrenaline.

Over the past 60 years, a large number of selective neurotoxins were discovered and developed, making it possible to animal-model a broad range of human neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders. In this paper, we highlight those neurotoxins that are most commonly used as neuroteratologic agents, to either produce lifelong destruction of neurons of a particular phenotype, or a group of neurons linked by a specific class of transporter proteins (i.e., dopamine transporter) or body of receptors for a specific neurotransmitter (i.e., NMDA class of glutamate receptors). Actions of a range of neurotoxins are described: 6-hydroxydopamine (6-OHDA), 6-hydroxydopa, DSP-4, MPTP, methamphetamine, IgG-saporin, domoate, NMDA receptor antagonists, and valproate. Their neuroteratologic features are outlined, as well as those of nerve growth factor, epidermal growth factor, and that of stress. The value of each of these neurotoxins in animal modeling of human neurologic, neurodegenerative, and neuropsychiatric disorders is discussed in terms of the respective value as well as limitations of the derived animal model. Neuroteratologic agents have proven to be of immense importance for understanding how associated neural systems in human neural disorders may be better targeted by new therapeutic agents.

Le trouble de l’odorat est un symptôme fréquent bien connu de la Maladie de Parkinson (MP). Il apparaît plusieurs années avant la possibilité d’un diagnostic de la maladie et son étude est ainsi d’intérêt particulier pour aider au développement d’outils de dépistage précoces et la sélection de candidats pouvant participer à des essais cliniques visant le développement de traitements potentiellement curateurs. Pour ce faire, il est important de différencier un trouble de l’odorat associé à la MP d’autres troubles de l’odorat non reliés à une maladie neurodégénérative (trouble de l’odorat non-parkinsonien : TONP), tels que des troubles de l’odorat liés à une infection virale, à un traumatisme craniocérébral ou des troubles sinu-nasaux. Le système olfactif est plus complexe qu’il ne le semble et est intimement lié au système trigéminal, un système moins bien connu, qui permet, entre autres, la perception de sensations de fraicheur, chaleur et picotement des odeurs. L’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal est complexe et peu connue. La sensibilité trigéminale est typiquement réduite dans le cas d’un système olfactif altéré dans les TONP, mais il n’est pas bien compris comment les deux systèmes interagissent ensemble dans le cas d’un trouble de l’odorat associé à la MP. L’objectif principal de cette thèse visait donc la caractérisation du trouble de l’odorat associé à la MP lorsque spécifiquement comparé à des patients atteints de TONP. Par conséquent, cette thèse avait aussi pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’interaction entre les systèmes olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel et d’un système olfactif altéré dans la MP et d’autres TONP. Nous avons donc d’abord évalué la sensibilité olfactive et trigéminale, sur le plan comportemental (étude 1). Cette première étude a permis d’identifier un patron de réponse spécifique dans la MP avec un système olfactif altéré et un système trigéminal intact,en comparaison à des contrôles, en contraste à une sensibilité trigéminale réduite dans les TONP. Dans le même ordre d’idée, nous avons ensuite évalué la perception des dimensions trigéminales et olfactives de différentes odeurs (étude 2). Nos résultats suggèrent que la perception de sensations trigéminales est intacte chez les patients avec la MP en contraste à la perception de dimensions olfactives qui est réduite, comparativement à des contrôles. Pour mieux comprendre l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans le cas d’un système olfactif fonctionnel, nous avons ensuite évalué l’impact d’un stimulus olfactif sur la capacité à latéraliser un stimulus trigéminal chez des participants contrôles (étude 3). Cette étude a démontré un effet d’amplification de la réponse trigéminale lors d’une co-stimulation olfactive ipsilatérale suggérant ainsi une interaction au niveau de l’épithélium nasal. Afin de mieux comprendre la réponse trigéminale dans la MP, nous avons évalué la sensibilité trigéminale périphérique et centrale en réponse à un stimulus trigéminal pur via des mesures électrophysiologiques (étude 4). Nous avons ainsi démontré une altération spécifique de la réponse trigéminale dans la MP comparativement à d’autres TONP et à des contrôles. Puisque le bulbe olfactif est l’une des premières régions affectées dans la MP, nous avons ensuite mesuré le volume du bulbe olfactif sur des images IRM (étude 5). Nos résultats ont démontré un volume réduit dans la MP et les TONP comparativement à des contrôles, mais aucune différence entre les patients atteints de la MP et de TONP. Néanmoins, l’utilisation de techniques d’apprentissage profond sur les images IRM du bulbe olfactif a permis de différencier les patients avec la MP des TONP avec une exactitude considérable. Enfin, nous avons étudié la connectivité fonctionnelle au sein du réseau chimiosensoriel (étude 6). Nous avons ainsi identifié des altérations spécifiques de la connectivité et la modularité des réseaux entre des régions de traitement olfactif et trigéminal au repos et lors de la réalisation d’une tâche olfactive et d’une tâche trigéminale chez des patients atteints de la MP en comparaison avec des TONP et des contrôles. En conclusion, la série d’études présentée dans cette thèse contribue à une meilleure compréhension du trouble de l’odorat associé à la MP et propose de potentielles pistes pour le différencier d’autres TONP, notamment par la mesure du système trigéminal. Cette thèse apporte une meilleure compréhension de l’interaction entre le système olfactif et trigéminal dans un système olfactif fonctionnel et de son altération dans les troubles olfactifs associés à la MP ou à d’autres TONP. La caractérisation de ce symptôme non-moteur pourra éventuellement aider au développement d’outils de dépistage précoce de la MP. / Olfactory dysfunction is a highly reliable non-motor symptom of Parkinson’s disease (PD) that appears several years before the possibility of a diagnosis of the disease. Hence, its study is of particular interest to help the development of early diagnosis tools and the selection of ideal candidates to participate in clinical trials that aims to test potential neuroprotective treatments. To do so, it is important to differentiate PD-related olfactory dysfunction from other non-neurodegenerative forms of olfactory dysfunctions that can be related to infections, head trauma or sinonasal disease (non-parkinsonian olfactory dysfunction: NPOD). The olfactory system is more complex than it seems and is intimately connected to the trigeminal system, a less well-known system, that allows, amongst others, the perception of sensation of freshness, warmth, and piquancy of odors. The interaction between the olfactory and trigeminal system is complex and not well understood. Trigeminal sensitivity is typically reduced in cases of an impaired olfactory system related to NPOD; however, this is not clear how both systems interact together in PD-related olfactory dysfunction. The main objective of this thesis was to principally characterize PD-related olfactory dysfunction when specifically compared to patients with NPOD. Consequently, this thesis also aimed to bring a better understanding of the interaction between the olfactory and trigeminal system in a fully functional olfactory system as well as in alterations of the olfactory system associated with PD and other NPOD. We have thus first assessed the olfactory and trigeminal sensitivity using behavioral measures (study 1). This study allowed the identification of a specific response pattern in PD patients with an altered olfactory system and an intact trigeminal system, when compared to controls, in contrast to the reduced trigeminal sensitivity observed in NPOD. We then evaluated the perception of trigeminal and olfactory dimensions of different odors (study 2). Our results suggest that the perception of trigeminal sensations is intact in patients with PD in contrast to the perception of olfactory dimensions which is reduced when compared to control participants. To better understand the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functioning olfactory system, we evaluated the impact of an olfactory stimulus on the capacity to lateralize a trigeminal stimulus in healthy participants (study 3). This study has demonstrated an amplification effect of the olfactory system on the trigeminal system particularly during ipsilateral co-stimulation, suggesting an interaction at the level of the olfactory mucosa. To better understand the trigeminal response in PD patients, we further investigated the peripheral and central trigeminal sensitivity in response to a pure trigeminal stimulus by means of electrophysiological measurements (study 4). We thus demonstrated a specific alteration of the trigeminal response in PD patients when specifically compared to patients with NPOD and healthy control participants. As the olfactory bulb is one of the first regions to be affected in PD, we then measured the olfactory bulb volume on MRI scans (study 5). Our results showed reduced olfactory bulb volume in PD patients as well as in NPOD, when compared to controls, but no difference between PD and NPOD patients. Interestingly, the use of deep learning techniques on MRI scans of the olfactory bulb allowed the discrimination between PD patients and NPOD patients with considerable accuracy. Finally, we investigated the functional connectivity within the chemosensory network (study 6). We identified a specific pattern of functional connectivity and chemosensory network modularity in PD patients at resting-state and while performing an olfactory or a trigeminal task, when specifically compared to patients with NPOD and controls. In conclusion, all taken together, the studies presented in this thesis contributes to a better understanding of the PD-related olfactory dysfunction and suggest potential avenues to differentiate it from NPOD, notably through the measurement of the trigeminal system. This thesis brings further knowledge regarding the interaction between the olfactory and trigeminal systems in a functional olfactory system and its alteration in cases of an impaired olfactory system related to PD or NPOD. The characterization of this non-motor symptom of the disease will eventually help the development of early diagnostic tools for PD.

La dopamine est un neurotransmetteur important dans le fonctionnement des ganglions de la base, région du cerveau impliquée dans la fonction motrice et l’apprentissage. Un dérèglement de la dynamique de la dopamine peut être à l’origine de différentes pathologies neurologiques, telles que la maladie de Parkinson et le trouble de déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité (TDAH). La lévodopa, un précurseur de la dopamine, est utilisée pour réduire les symptômes associés à la maladie de Parkinson, sans action directe sur ses causes. La lévodopa est très efficace au début de la maladie, mais la durée de son effet ainsi que son index thérapeutique diminuent avec la progression de la dénervation induite par la maladie. Ces changements compliquent considérablement l’optimisation des régimes posologiques. Le méthylphénidate, quant à lui, est administré pour réduire les symptômes du TDAH et agit entre autres en bloquant la recapture de la dopamine. Bien que les données confirment une certaine implication de la dopamine dans le TDAH, son étiologie exacte demeure inconnue. Peu d’études ont cerné l’effet de la lévodopa sur le système dopaminergique des ganglions de la base et son évolution avec la progression de la maladie. Aussi, bien que le TDAH ait suscité beaucoup d’intérêt, rares sont les études quantitatives de nature mécanistiques sur le sujet. L’approche de modélisation mathématique utilisée dans cette thèse s’inscrit dans un effort global visant l’optimisation de la lévodopa et du méthylphénidate, appuyé par l’élucidation des mécanismes impliqués dans la maladie de Parkinson et dans le TDAH. En adoptant une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP), nous avons développé un modèle intégratif du système dopaminergique des ganglions de la base, avec l’objectif d’élucider les mécanismes impliqués, d’évaluer l’impact de la dopamine chez dessujets souffrant de Parkinson ou de TDAH, et recevant ou non un traitement, et enfin de guider objectivement l’exercice d’optimisation des régimes posologiques. À notre connaissance, c’est le premier cadre unificateur de modélisation qui s’adresse à ces deux pathologies. Le modèle développé dans cette thèse est composé de trois sous-modèles : le premier décrit la pharmacocinétique du médicament concerné, soit la lévodopa ou le méthylphénidate ; le deuxième exprime mathématiquement les différents mécanismes impliqués dans la dynamique de la dopamine ; le troisième représente la complexité de la neurotransmission dans les ganglions de la base. Avec des adaptations appropriées, nous avons appliqué ce même modèle au contexte de la maladie de Parkinson et au TDAH, ainsi qu’à leurs thérapies respectives. Pour représenter physiologiquement la maladie de Parkinson, nous avons intégré dans le modèle l’évolution de la perte neuronale ainsi que les différents mécanismes de compensation qui en résultent. La fréquence de tapotement des doigts est utilisée comme mesure clinique de la bradykinésie, définie comme le ralentissement des mouvements chez les patients parkinsoniens. Le modèle développé se base sur les connaissances actuelles de la pathophysiologie et pharmacologie du Parkinson, assurant ainsi sa validité en comparaison à des observations expérimentales et cliniques. Ensuite, à l’aide de ce modèle, les relations non-linéaires entre la concentration plasmatique de lévodopa, la concentration en dopamine dans le cerveau et la réponse à une tâche motrice sont étudiées. Le rétrécissement de l’index thérapeutique de la lévodopa au cours de la progression de la maladie dû à ces non-linéarités est investigué. Enfin, pour assurer l’aspect translationnel de notre approche, nous avons développé une application web à laquelle ce modèle a été intégré. Cette application sert de preuve de concept à un outil facilitant l’optimisation et l’individualisation des régimes posologiques. Pour l’étude du TDAH, nous avons adapté le modèle du système dopaminergique en y intégrant la libération tonique et phasique de la dopamine, cette dernière se produisant durant une tâche d’apprentissage par renforcement. Des individus virtuels ont été créés avec et sans déséquilibre du ratio tonique/phasique de la dopamine. En simulant une tâche de réponse à des stimuli dans un contexte de déséquilibre de la dopamine, le modèle nous a permis d’observer des symptômes similiaires à ceux de patients réels souffrant de TDAH. Finalement, la réponse au méthylphénidate résultant de l’inhibition de la recapture de la dopamine, à travers différents scénarios d’apprentissage a aussi été étudiée. Le développement d’une métrique nous a permis de différencier les répondants des non-répondants, et ainsi de mettre en évidence l’implication possible d’un apprentissage excessif chez les nonrépondants. Une meilleure compréhension de la réponse au méthylphénidate permettrait d’éviter la surmédication chez les non-répondants et d’aider les cliniciens dans leur pratique. Malgré la complexité du système dopaminergique et des traitements associés, cette thèse est un pas en avant dans la compréhension des mécanismes sous-jacents et de leur implication dans la thérapie. Ces avancées ont été réalisées en adoptant une approche de pharmacologie quantitative des systèmes, associée à une modélisation neurocomputationnelle du domaine du génie électrique, et complétée par un aspect de transfert au chevet du patient. Ce n’est qu’en transcendant ainsi les frontières disciplinaires qu’une visée aussi globale et intégrative est possible, afin de faire face aux défis multidimensionnels du système de la santé. / Dopamine is an important neurotransmitter of the basal ganglia, a region of the brain involved in motor function and learning. Disruption of dopamine dynamics can cause various neurological conditions, such as Parkinson’s disease and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). Levodopa, a dopamine precursor, is used to reduce the symptoms associated with Parkinson’s disease, without directly alleviating its causes. Levodopa is very effective in the early stages of the disease, but its effect duration along with its therapeutic index decrease with disease-induced denervation. These modifications further challenge determination of optimal dosing regimens of levodopa. In the case of ADHD, methylphenidate is administered to reduce its symptoms by, among other things, blocking dopamine recapture. Although evidence supports involvement of dopamine in ADHD, its exact etiology remains unknown. Few studies have investigated the effect of levodopa on the basal ganglia dopaminergic system and how it evolves with disease progression. Also, although ADHD has received a lot of interest, few quantitative studies of a mechanistic nature have been conducted on the subject. The mathematical modeling approach used in this thesis is part of an overall effort to optimize levodopa and methylphenidate, supported by the elucidation of the mechanisms involved in Parkinson’s disease and ADHD. Using a quantitative systems pharmacology (QSP) approach, we have developed an integrative model of the basal ganglia dopaminergic system, with the objective of elucidating the mechanisms involved, assessing the impact of dopamine in subjects with Parkinson’s or ADHD, with and without treatment, and objectively guiding the dosing regimens optimization. To the best of our knowledge, this is the first unifying modeling framework that addresses at the same time these two pathologies and their therapies. The model developed in this thesis includes three sub-models: the first one describes the drug pharmacokinetics, either levodopa or methylphenidate; the second one translates mathematically the different mechanisms involved in the dopamine dynamics; the third one is a computational representation of the complexity of neurotransmission in the basal ganglia. With appropriate adaptations, we have applied this same model to the context of Parkinson’s disease and ADHD, as well as to their respective pharmacotherapies. In order to physiologically represent Parkinson’s disease, we have integrated the denervation process in the model as well as the resulting compensation mechanisms. The finger tapping frequency is used as a clinical endpoint of bradykinesia, defined as the slowing of movements. The developed model is based on up-to-date knowledge of the pathophysiology and pharmacology of Parkinson’s disease, thus ensuring its validity in comparison with experimental and clinical observations. Using this model, the non-linear relationships between plasma levodopa concentration, dopamine concentration in the brain and response to a motor task were studied. The narrowing of levodopa therapeutic index during the progression of the disease due to these non-linearities was investigated. Finally, to ensure the translational aspect of our approach, we developed a web application in which this model was integrated. This application serves as a proof of concept for a tool aimed to facilitate the optimization and individualization of dosing regimens. For the study of ADHD, we adapted the developed model by integrating tonic and phasic dopamine release, the latter occurring during a reinforcement learning task. Virtual individuals were created with and without dopamine imbalance in the tonic/phasic ratio. By simulating a stimulus-response task, we observe ADHD-like symptoms among virtual patients with dopamine imbalance. Finally, the response to methylphenidate resulting from dopamine recapture inhibition, through different learning scenarios, was also studied. The development of a metric allowed us to differentiate responders from non-responders, and thus to highlight the possible implication of excessive learning in non-responders. A better understanding of methylphenidate response would help avoid overmedication in non-responders and assist clinicians in their practice. Despite the complexity of the dopaminergic system and its associated therapies, this thesis is a step forward in understanding the underlying mechanisms and their involvement in pharmacotherapy. These advances were achieved by adopting a quantitative systems pharmacology approach, combined with neurocomputational modeling borrowed from the electrical engineering field, and complemented by a translational bedside aspect. It is only by transcending disciplinary boundaries and adopting such an integrative approach that this ultimate goal of having a real impact on the multifaceted health system is possible.

In this thesis, two different architecture designs of a Multi-Layer Perceptron network have been implemented. One architecture being an ordinary MLP, and in the other adding DenseNet inspired skip connections to an MLP architecture. The models were used and evaluated on the classification task, where the goal was to classify if subjects were diagnosed with Parkinson’s disease or not based on vocal features. The models were trained on an openly available dataset for Parkinson’s classification and evaluated on a hold-out set from this dataset and on two datasets recorded in another sound recording environment than the training data. The thesis searched for the answer to two questions; How insensitive models for Parkinson’s classification are to the sound recording environment and how the proposed skip connections in an MLP model could help improve performance and generalization capacity. The thesis results show that the sound environment affects the accuracy. Nevertheless, it concludes that one would be able to overcome this with more time and allow for good accuracy when models are exposed to data from a new sound environment than the training data. As for the question, if the skip connections improve accuracy and generalization, the thesis cannot draw any broad conclusions due to the data that were used. The models had, in general, the best performance with shallow networks, and it is with deeper networks that the skip connections are argued to help improve these attributes. However, when evaluating on the data from a different sound recording environment than the training data, the skip connections had the best performance in two out of three tests. / I denna avhandling har två olika arkitektur designer för ett artificiellt flerskikts neuralt nätverk implementerats. En arkitektur som följer konventionen för ett vanlig MLP nätverk, samt en ny arkitektur som introducerar DenseNet inspirerade genvägs kopplingar i MLP nätverk. Modellerna användes och utvärderades för klassificering, vars mål var att urskilja försökspersoner som friska eller diagnostiserade med Parkinsons sjukdom baserat på röst attribut. Modellerna tränades på ett öppet tillgänglig dataset för Parkinsons klassificering och utvärderades på en delmängd av denna data som inte hade använts för träningen, samt två dataset som kommer från en annan ljudinspelnings miljö än datan för träningen. Avhandlingen sökte efter svaret på två frågor; Hur okänsliga modeller för Parkinsons klassificering är för ljudinspelnings miljön och hur de föreslagna genvägs kopplingarna i en MLP-modell kan bidra till att förbättra prestanda och generalisering kapacitet. Resultaten av avhandlingen visar att ljudmiljön påverkar noggrannheten, men drar slutsatsen att med mer tid skulle man troligen kunna övervinna detta och möjliggöra god noggrannhet i nya ljudmiljöer. När det kommer till om genvägs kopplingarna förbättrar noggrannhet och generalisering, är avhandlingen inte i stånd att dra några breda slutsatser på grund av den data som användes. Modellerna hade generellt bästa prestanda med grunda nätverk, och det är i djupare nätverk som genvägs kopplingarna argumenteras för att förbättra dessa egenskaper. Med det sagt, om man bara kollade på resultaten på datan som är ifrån en annan ljudinspelnings miljö så hade genvägs arkitekturen bättre resultat i två av de tre testerna som utfördes.

Deep brain stimulation (DBS) is a potent symptomatic therapy for Parkinson’s disease, but it is debated whether it causes or prevents neurodegeneration. We used serum neurofilament light chain (NFL) as a reporter for neuronal damage and found no difference between 92 patients with chronic STN-DBS and 57 patients on best medical treatment. Serum NFL transiently increased after DBS surgery whereas the initiation of STN stimulation did not affect NFL levels, suggesting that DBS surgery can be associated with neuronal damage whereas stimulation itself is not.