La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie dégénérative la plus répandue au Canada. Elle se caractérise par des symptômes moteurs importants tels le tremblement de repos, la rigidité musculaire, l’instabilité posturale, la lenteur dans les mouvements ainsi que par des symptômes non moteurs, notamment une diminution du fonctionnement cognitif. Conséquemment, la nature hétérogène des symptômes de la MP dirige bien souvent l’individu atteint vers une sédentarité physique et mentale involontaire. Les traitements pharmacologiques et neurochirurgicaux demeurent les approches thérapeutiques majoritairement choisies. Toutefois, de plus en plus d’études visant à examiner les impacts de l’exercice physique aérobique (EPA) ont démontré des bénéfices de ce traitement non pharmaceutique, entre autres, en améliorant les symptômes moteurs de la maladie. Néanmoins, l’effet de l’exercice sur la cognition et l’apprentissage moteur à travers la MP est encore méconnu. Ainsi, ce projet de thèse vise à étudier les changements cognitifs et moteurs suite à un entrainement cardiovasculaire. Une première étude visait à mesurer les changements comportementaux au niveau de la capacité aérobique, des fonctions cognitives dites exécutives et de l’apprentissage procédural moteur suite à l’EPA. Une deuxième étude utilisant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permettait ensuite d’identifier les corrélats neuronaux associés à l’effet de l’EPA sur l’apprentissage moteur. 20 participants en santé et 19 atteintes de la MP, âgées entre 40-80 ans, ont participé à un programme d’entrainement de 3 mois (3 fois/semaine) à une intensité élevée, débutant à 20 minutes (+5 minutes/semaine) pour atteindre 40 minutes d’EPA. Le niveau d’intensité de base a été prescrit selon la capacité aérobique initiale du participant en réponse au test à l’effort effectué (pré et post entraînement). Plusieurs mesures d’évaluation physiques (VO2peak, pression artérielle, fréquence cardiaque) et neuropsychologiques (« Stroop, trail making test » (TMT)) ont été prises en début et à la fin de l’entraînement. De plus, des sessions d’acquisition de données cérébrales fonctionnelles grâce à l’IRMf ont été administrées durant la passation d’une tâche d’apprentissage moteur implicite (tache : « Serial Reaction Time Task »(SRT)). Les résultats ont montré que l’entraînement en EPA fut efficace car une amélioration significative de la capacité aérobique fut observée chez tous les participants. Au niveau comportemental, l’EPA a eu pour effet d’améliorer les capacités d’inhibition (Stroop) et d’apprentissage moteur (SRT), mais pas celle associée à la flexibilité mentale (TMT). Pour leur part, les données de neuroimagerie ont révélé une augmentation de l’activité fonctionnelle liée à l’amélioration de l’apprentissage moteur au niveau de l’hippocampe, du striatum et du cervelet, et ce en comparaison avec les sujets contrôles. De plus, les changements fonctionnels chez les individus atteints de la MP étaient corrélés au changement de la capacité aérobique : une relation positive fut liée à l’augmentation de l’activité de l’hippocampe et du striatum, tandis qu’une relation négative fut observée au niveau du cervelet. Ce projet est l’un des premiers à mettre en lumière l’impact clinique d’un traitement non pharmaceutique visant à améliorer la nature motrice et cognitive des symptômes de la MP, ainsi que de proposer les mécanismes neurofonctionnels pouvant expliquer l’amélioration observés au niveau de l’apprentissage suivant l’entrainement en EPA. Ainsi, nous croyons que les résultats de cette étude serviront les milieux cliniques et la population de patients atteints de la maladie de Parkinson en proposant une solution thérapeutique efficace et économique afin d’améliorer la qualité de vie de ces derniers. / Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder in Canada. It is mainly characterized by important motor symptoms such as slow movement, tremor, rigidity and problems with locomotion, but non-motor symptoms (NMS) such as cognitive dysfunctions are also present early in the disease. Inadvertently, the heterogeneous nature of PD’s symptoms may lead to an unintentional sedentary behaviour both at the physical and mental level. To date, the most common forms of PD treatments remain pharmacological and neurosurgical in nature. Most recently, however, studies have demonstrated benefits of aerobic exercise training (AET) as a non-pharmaceutical treatment with significant effects on PD’s motor symptoms. Nevertheless, the effects of exercise on cognitive and motor learning function in PD remain unknown. Thus, this thesis project aims at studying cognitive and motor changes following AET. Most specifically, the first study intended to assess behavioural changes related to aerobic capacity, cognitive (executive) functions and procedural learning following three months of AET. The second article used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to identify the neural correlates associated with the effect of AET on motor learning. Twenty healthy controls (HC) and 19 early PD individuals, aged 40-80 years old, participated in a supervised high intensity stationary recumbent bike training program (3 times/week; 12 weeks). Exercise prescription started at 20 minutes (+5 minutes/week up to 40 minutes) based on participants’ maximal volume of oxygen uptake (pre and post training). Several physical (VO2peak, blood pressure, heart rate) and cognitive (Stroop and Trail making tests (TMT)) measures were used pre and post AET. Importantly, participants’ procedural learning skill (implicit motor learning) was evaluated using a version of the Serial Reaction Time Task (SRT) during the acquisition of functional neuroimaging data. AET program was effective as indicated by a significant improvement in aerobic capacity in all participants. At the behavioural level, AET improved inhibition (Stroop) and motor learning (SRT), but not flexibility (TMT). Brain imaging data revealed pre-post MSL-related increases in functional activity in the hippocampus, striatum and cerebellum in PD patients as compared to controls. Importantly, functional brain changes in PD individuals correlated with changes in aerobic capacity: a positive relationship was found with increased activity in the hippocampus and striatum, while a negative relationship was observed with the cerebellar activity. This project is one of the first to elucidate the clinical impact of such non-pharmaceutical treatment targeting motor and non-motor aspects of PD. Accordingly, it is believed that the results will be of use for clinical settings and for the population of patients with PD, as they give evidence in favour of an efficient and economical therapeutic solution for PD.

Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.

La maladie de Parkinson (PD) a été uniquement considérée pour ses endommagements sur les circuits moteurs dans le cerveau. Il est maintenant considéré comme un trouble multisystèmique, avec aspects multiples non moteurs y compris les dommages intérêts pour les circuits cognitifs. La présence d’un trouble léger de la cognition (TCL) de PD a été liée avec des changements structurels de la matière grise, matière blanche ainsi que des changements fonctionnels du cerveau. En particulier, une activité significativement réduite a été observée dans la boucle corticostriatale ‘cognitive’ chez des patients atteints de PD-TCL vs. PD non-TCL en utilisant IRMf. On sait peu de cours de ces modèles fonctionnels au fil du temps. Dans cette étude, nous présentons un suivi longitudinal de 24 patients de PD non démente qui a subi une enquête neuropsychologique, et ont été séparés en deux groupes - avec et sans TCL (TCL n = 11, non-TCL n = 13) en fonction du niveau 2 des recommandations de la Movement Disrders Society pour le diagnostic de PD-TCL. Ensuite, chaque participant a subi une IRMf en effectuant la tâche de Wisconsin pendant deux sessions, 19 mois d'intervalle. Nos résultats longitudinaux montrent qu'au cours de la planification de période de la tâche, les patients PD non-TCL engageant les ressources normales du cortex mais ils ont activé en plus les zones corticales qui sont liés à la prise de décision tel que cortex médial préfrontal (PFC), lobe pariétal et le PFC supérieure, tandis que les PD-TCL ont échoué pour engager ces zones en temps 2. Le striatum n'était pas engagé pour les deux groupes en temps 1 et pour le groupe TCL en temps 2. En outre, les structures médiales du lobe temporal étaient au fil du temps sous recrutés pour TCL et Non-TCL et étaient positivement corrélés avec les scores de MoCA. Le cortex pariétal, PFC antérieur, PFC supérieure et putamen postérieur étaient négativement corrélés avec les scores de MoCA en fil du temps. Ces résultats révèlent une altération fonctionnelle pour l’axe ganglial-thalamo-corticale au début de PD, ainsi que des niveaux différents de participation corticale pendant une déficience cognitive. Cette différence de recrutement corticale des ressources pourrait refléter longitudinalement des circuits déficients distincts de trouble cognitive légère dans PD. / PD was traditionally thought of as purely a movement disorder, now it is considered a multisystem disorder, with multiple non-motor aspects including damages to the cognitive circuits. Mild cognitive impairment (MCI) in PD has been linked with structural gray matter, white matter as well as functional brain changes. Specifically, significantly reduced activity was observed in the ‘cognitive’ corticostriatal loop in patients with PD-MCI vs. PD non-MCI using fMRI. Little is known regarding the course of these functional patterns over time. In this study we present longitudinal follow up of 24 non-demented PD who underwent neuropsychological investigation and were separated in two groups - with and without MCI (MCI n=11, Non-MCI n=13) according to the MDS level 2 recommendation for diagnosis of PD-MCI. Afterwards, each participant underwent an fMRI investigation by performing the Wisconsin Card Sorting Task over two sessions, 19 months apart. Our longitudinal results show that during planning set-shift period of the task, PD Non-MCI patients were engaging the normal cortical resources but they also activated more cortical areas at time 2 that are related to decision-making such as the medial prefrontal cortex (PFC), parietal lobe and the superior PFC, whilst the patients with MCI failed to engage these areas at both time points. The striatum was not engaged for both groups at time 2 and for MCI group at time 1. Furthermore, medial temporal lobe structures (MTLS) were under-recruited overtime for both the MCI and Non-MCI PD patients, and were positively correlated with MoCA scores over time. Parietal cortex, anterior PFC, superior PFC, and posterior putamen were negatively correlated with MoCA scores. These results reveal functional alteration along the basal ganglial-thalamo-cortical axis in early PD, as well as different cortical involvement levels along the course cognitive impairment. This discrepancy in cortical resources recruitment over time might reflect deficient circuitry distinct to cognitive impairment in Parkinson’s disease.

Beaucoup de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP) peuvent souffrir de troubles cognitifs dès les étapes initiales de la maladie et jusqu’à 80% d’entre eux vont développer une démence. Des altérations fonctionnelles au niveau du cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL), possiblement en relation avec le noyau caudé, seraient à l’origine de certains de ces déficits cognitifs. Des résultats antérieurs de notre groupe ont montré une augmentation de l’activité et de la connectivité dans la boucle cortico-striatale cognitive suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) utilisant des paramètres « theta burst » intermittent (iTBS) sur le CPFDL gauche. Pour cette étude, 24 patients atteints de la MP avec des troubles cognitifs ont été séparées en 2 groupes : le groupe iTBS active (N=15) et le groupe sham (stimulation simulée, N=9). Une batterie neuropsychologique détaillée évaluant cinq domaines cognitifs (attention, fonctions exécutives, langage, mémoire et habiletés visuo-spatiales) a été administrée lors des jours 1, 8, 17 et 37. Le protocole iTBS a été appliqué sur le CPFDL gauche durant les jours 2, 4 et 7. Les scores z ont été calculés pour chaque domaine cognitif et pour la cognition globale. Les résultats ont montré une augmentation significative de la cognition globale jusqu’à 10 jours suivant l’iTBS active, particulièrement au niveau de l’attention, des fonctions exécutives et des habiletés visuo-spatiales. Cet effet sur la cognition globale n’est pas répliqué dans le groupe sham. Ces résultats suggèrent donc que l’iTBS peut moduler la performance cognitive chez les patients atteints de MP avec des déficits cognitifs. / Cognitive impairment affects many patients with Parkinson’s disease (PD) in the early phase of the disease and up to 80% of them will eventually develop dementia. Many studies suggests that these cognitive deficits are mediated by functional alterations in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), possibly in relation with the caudate nucleus. Previous results from our group showed an increase in activity and connectivity within the cognitive cortico-striatal loop when applying transcranial magnetic stimulation (TMS) using intermittent « theta burst » (iTBS) parameters over left DLPFC. For this study, 24 idiopathic PD patients with cognitive impairment were recruited and divided into two groups : active iTBS group (N=15) and sham group (simulated stimulation, N=9). Detailed neuropsychological assessment of five cognitive domains (attention, executive functions, language, memory, visuospatial abilities) was performed on day 1, 8, 17 and 37. iTBS protocol over left DLPFC was performed on day 2, 4 and 7. Z scores were calculated for each domain and for the overall cognition performance. Our results showed a significant increase in overall cognition up to 10 days after receiving active iTBS, improving mainly attention, executive functions and visuospatial abilities. This effect was not replicated in the sham group. Therefore, our results suggest that iTBS can modulate cognitive performance in PD patients with cognitive deficits.

L’efficacité de la stimulation cérébrale profonde subthalamique dans certains cas de maladie de Parkinson est maintenant bien établie. Toutefois, des progrès restent possibles, à la fois en terme de contrôle du geste chirurgical et en terme de définition de la cible chirurgicale. Dans la première partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’optimisation du contrôle de l’implantation des électrodes de stimulation cérébrale profonde. Nous avons tout d’abord analysé rétrospectivement les résultats obtenus en réalisant une imagerie tridimensionnelle per-opératoire pour le contrôle de positionnement des électrodes. Nous nous sommes ensuite intéressés à la possibilité d’utiliser un repère de visée radiologique per-opératoire. Nous avons revu pour cela une série de patients ayant subi une réimplantation d’électrodes, pour lesquels l’électrode déjà en place était utilisée comme point de repère à la fois pour définir la cible de la réimplantation et pour contrôler radiologiquement l’implantation de la nouvelle électrode. Dans la seconde partie, nous avons travaillé à l’optimisation de la cible subthalamique. Nous avons tout d’abord évalué la pertinence du repérage du faisceau mamillo-thalamique sur des coupes IRM axiales comme marqueur de la coordonnée y du bord antérieur du noyau subthalamique. Ensuite, nous avons tâché de proposer une normalisation tridimensionnelle de l’espace stéréotaxique à partir de données recueillies dans une série de volontaires sains. Enfin, pour une série de patients opérés avec un bon résultat, nous avons cherché à corréler la position des contacts actifs en stimulation chronique avec des points de repères profonds visibles en IRM. Nous avons pu proposer ainsi une cible normalisée dont les coordonnées sont : x = 0,44xbord latéral du V3 + 10,71mm; y = 0,69xfaisceau mamillothalamique + 1,62 mm ou 0,34 distance CACP + 2,52 mm; z = 0,72 hauteur du thalamus – 16 mm. Cette cible sera évaluée dans une future étude prospective. / The clinical efficacy of subthalamic deep brain stimulation is now well established. Nevertheless, progress is possible, regarding especially (1) the accuracy of electrodes implantation and (2) the definition of the surgical target. In the first part of this work, we worked on the optimization of DBS electrodes implantation. First, we analyzed retrospectively the results obtained by using intra-operative 3D imaging for the control of microelectrodes and definite leads placement. Thereafter, we considered the possibility to use a radiological landmark for intraoperative controls. To this end, we studied the cases of patients who underwent reimplantation of DBS electrodes. The initial electrode (still implanted) was used as a landmark: (1) for the deifntion of the reimplantation target and (2) for the radiological control of the new lead positioning. In the second part, we worked on the optimization of the surgical target. First, we assessed the interest of the mamillothalamic tract as a landmark of the anteroposterior coordinate of the anterior border of the STN in MR axial images. Thereafter, we tried to identify MR landmarks for tridimensionnal normalization of the stereotactic space. Finally, we tried to correlate the coordinates of active contacts with MR-defined landmarks in a series of patients that had been operated with good clinical results. Based on our results, we can propose the following coordinates for a new normalized subthalamic target : x = 0.44xlat edge 3rd ventricle + 10.71mm; y = 0.69xmamillo-thalamic tract + 1.62 mm or 0.34 ACPC length + 2.52 mm; z = 0.72xthalamus height – 16 mm. We will assess this target in a future prospective study.

This thesis in the field of microdata analysis aims to introduce dose optimizing algorithms for the pharmacological management of Parkinson’s disease (PD). PD is a neurodegenerative disease that mostly affects the motor functions of the patients and it is characterized as a movement disorder. The core symptoms of PD are: bradykinesia, postural instability, rigidity, and tremor. There is no cure for PD and the use of levodopa to manage the core symptoms is considered the gold standard. However, long term use of levodopa causes reduced medication efficacy, and side effects, such as dyskinesia, which can also be attributed to overmedication. When that happens precise individualized dosing schedules are required. The goal of this thesis is to examine if algorithmic methods can be used to find dosing schedules that treat PD symptoms and minimize manifestation of side effects. Data from three different sources were used for that purpose: data from a clinical study in Uppsala University hospital in 2015, patient admission chart data from Uppsala University hospital during 2011-2015, and data from a clinical study in Gothenburg University during 2016-2017. The data were used to develop the methods and evaluate the performance of the proposed algorithms.The first algorithm that was developed was a sensor-based method that derives objective measurements (ratings) of PD motor states. The construction of the sensor index was based on subjective ratings of patients’ motor functions made by three movement disorder experts. This sensor-based method was used when deriving algorithmic dosing schedules. Afterwards, a method that uses medication information and ratings of the patients’ motor states to fit individual patient models was developed. This method uses mathematical optimization to individualize specific parameters of dose-effects models for levodopa intake, through minimizing the distance between motor state ratings and dose-effect curves. Finally, two different dose optimization algorithms were developed and evaluated, that had as input the individual patient models. The first algorithm was specific to continuous infusion of levodopa treatment, where the patient’s state was set to a specific target value and the algorithm made dosing adjustments to keep that patients motor functions on that state. The second algorithm concerned oral administration of microtables of levodopa. The ambition with this algorithm was that the suggested doses would find the right balance between treating the core symptoms of PD and, at the same time, minimizing the side effects of long term levodopa use, mainly dyskinesia. Motor state ratings for this study were obtained through the sensor index. Both algorithms followed a principle of deriving a morning dose and a maintenance dose for the patients, with maintenance dose being an infusion rate for the first algorithm, and oral administration doses at specific time points for the second algorithm.The results showed that the sensor-based index had good test-retest reliability, sensitivity to levodopa treatment, and ability to make predictions in unseen parts of the dataset. The dosing algorithm for continuous infusion of levodopa had a good ability to suggest an optimal infusion rating for the patients, but consistently suggested lower morning dose than what the treating personnel prescribed. The dosing algorithm for oral administration of levodopa showed great agreement with the treating personnel’s prescriptions, both in terms of morning and maintenance dose. Moreover, when evaluating the oral medication algorithm, it was clear that the sensor index ratings could be used for building patient specific models.

Submitted by Marcos Anselmo (marcos.anselmo@unipampa.edu.br) on 2018-12-03T16:44:19Z No. of bitstreams: 1 JEFFERSON SOARES.pdf: 2368041 bytes, checksum: d0bf3fbdf45a445f633e578aa1e4f499 (MD5) / Approved for entry into archive by Marcos Anselmo (marcos.anselmo@unipampa.edu.br) on 2018-12-03T16:45:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JEFFERSON SOARES.pdf: 2368041 bytes, checksum: d0bf3fbdf45a445f633e578aa1e4f499 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-12-03T16:45:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JEFFERSON SOARES.pdf: 2368041 bytes, checksum: d0bf3fbdf45a445f633e578aa1e4f499 (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / O herbicida paraquat (PQ) é reconhecido como um dos principais fatores de risco para a manifestação da Doença de Parkinson (DP) por causar destruição dos neurônios dopaminérgicos, disfunção mitocondrial e estresse oxidativo. Por isso, o PQ vem sendo utilizado como neurotoxina para a indução de sintomas semelhantes à DP em diferentes modelos experimentais. A DP é caracterizada por alterações motoras oriundas principalmente da perda seletiva e progressiva dos neurônios dopaminérgicos. Como o estresse oxidativo desempenha um papel importante na patogênese da DP, o tratamento com antioxidantes sintéticos e/ou naturais pode ser útil para diminuir a ou prevenir o aparecimento de sintomas da DP. Atualmente há uma intensa busca por antioxidantes naturais oriundos principalmente de plantas medicinais que possam ser eficazes no tratamento dos sintomas da DP. Extratos preparados a partir das folhas da Bougainvillea glabra são utilizados na medicina tradicional, no entanto, suas ações no sistema nervoso ainda não foram estudadas. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o possível efeito neuroprotetor do extrato etanólico das folhas de B. glabra (EBG) sobre alterações comportamentais e bioquímicas em moscas (Drosophila melanogaster) expostas ao PQ. Um segundo objetivo desse trabalho foi desenvolver um novo método de exposição a pesticida de modo a suprir as limitações do método tradicional em meio ágar. Com relação ao primeiro objetivo, moscas do tipo selvagem (macho, 14 dias de idade) foram concomitantemente expostas a uma dieta contendo PQ (3,5 mM) e EBG (120 μg/mL) por 4 dias. Após o tratamento foram realizadas as análises comportamentais e bioquímicas. As moscas expostas ao PQ tiveram uma diminuição da capacidade locomotora e apresentaram uma maior mortalidade que o grupo controle. A neurotoxicidade do PQ também foi associada a uma diminuição dos níveis de dopamina, aumento da atividade da enzima acetilcolinesterase (AChE) além de um aumento da produção de espécies reativas e peroxidação lipídica. A coexposição com EBG protegeu contra a mortalidade, melhorou o desempenho locomotor, impediu a redução dos níveis de dopamina e diminuiu a atividade da AChE, produção de espécies reativas e peroxidação lipídica. As análises fitoquímicas do EBG revelaram a presença de importantes compostos antioxidantes como fitol, esqualeno, α,γtocoferol, stigmasterol, geranilgeraniol, quercetina e ácidos cafeico, vanílico, cumárico e ferúlico. Nossos resultados mostram que as folhas de B. glabra podem ser consideradas um agente eficaz na prevenção de distúrbios neurológicos, onde a depleção de dopamina e/ou o estresse oxidativo estão envolvidos com a DP. Com relação ao segundo objetivo, nós desenvolvemos um novo método de exposição da Drosophila melanogaster a pesticidas denominado “alimentação líquida contínua” (ALC) visando suprir as limitações existentes no método tradicional de exposição em meio ágar como, incerteza quanto à biodisponibilidade e quantidade de pesticidas ingeridos além da elevada manipulação das moscas em tratamento. Nesse método, a alimentação (junto com o pesticida) é disponível na forma líquida para as moscas através de capilares suspensos no frasco de tratamento. O método ALC apresentou várias vantagens em relação ao método com ágar, tais como: melhor biodisponibilidade da alimentação, menor consumo de reagentes, e pouca manipulação das moscas em tratamento. Nós esperamos que o método ALC possa ser útil em futuras investigações sobre a toxicidade de pesticidas e que também possa ser utilizado em outras áreas que utilizam a D. melanogaster como modelo experimental. / The paraquat herbicide (PQ) is recognized as one of the main risk factors for the manifestation of Parkinson's disease (PD). PQ has already been shown to cause destruction of dopaminergic neurons, mitochondrial dysfunction and oxidative stress, being used as neurotoxin for the induction of PDlike symptoms in different experimental models. PD is characterized by motor alterations originating mainly from the selective and progressive loss of dopaminergic neurons. As oxidative stress plays an important role in the pathogenesis of PD, treatment with synthetic and / or natural antioxidants may be useful in slowing or preventing the onset of PD symptoms. Therefore, there is currently an intense search for natural antioxidants derived mainly from medicinal plants that may be effective in the treatment of PD symptoms. Extracts prepared from the leaves of Bougainvillea glabra are used in traditional medicine, however, their actions in the nervous system have not yet been studied. Thus, the objective of this work was to evaluate the possible neuroprotective effect of ethanol extract from B. glabra leaves (BG extract) on behavioral and biochemical changes in flies (Drosophila melanogaster) exposed to PQ. Wild type flies (male, 14 days old) were concomitantly exposed to a diet containing PQ (3.5 mM) and BG extract (120 μg /mL) for 4 days. After the treatment, behavioral and biochemical analyzes were performed. Flies exposed to PQ had a decrease in locomotor capacity and had a higher mortality than the control group. The neurotoxicity of PQ was also associated with a decrease in dopamine levels, increased activity of the acetylcholinesterase enzyme (AChE), and increased production of reactive species and lipid peroxidation. Coexposure with BG extract prevented mortality, improved locomotor performance, prevented depletion of dopamine levels, and decreased AChE activity, reactive species production and lipid peroxidation. The phytochemical analyzes of BG extract revealed the presence of important antioxidant compounds such as phytol, squalene, α, γtocopherol, stigmasterol, geranilgeraniol, quercetin and caffeic, vanillic, coumaric and ferulic acids. Our results show that B. glabra leaves can be considered an effective agent in the prevention of neurological disorders, where dopamine depletion and / or oxidative stress are involved in PD. Generally in pesticide toxicity studies with D. melanogaster, exposure to pesticides occurs by introducing them into the feed medium in agar medium. Unfortunately, this type of exposure has several limitations such as: uncertainty about the bioavailability and amount of pesticides ingested besides the high manipulation of the flies being treated due to the need of medium exchange. Thus, this work also aimed to develop a new method of exposure to pesticides in order to overcome the limitations of the method using the agar medium. We developed the method called "Continuous Liquid Feeding" (CLF). In this method, feed (along with the pesticide) is available in liquid form to the flies through suspended capillaries in the treatment vial. The CLF method presented several advantages over the agar method, such as: better feed bioavailability, lower reagent consumption, and little handling of the flies under treatment. We hope that the CLF method may be useful in future investigations on the toxicity of pesticides and that it can also be used in other areas that use D. melanogaster as an experimental model.

Les troubles de l’initiation du mouvement de la maladie de Parkinson sont invalidants et sans solution thérapeutique satisfaisante. Dans ce travail, nous nous intéressons à deux catégories de symptômes, classiquement explorées de façon indépendante : d’un côté, la lenteur à l’initiation du mouvement ou akinésie, et de l’autre, la difficulté à retenir l’initiation d’un mouvement ou impulsivité. En nous appuyant sur des avancées théoriques et méthodologiques récentes, nous tentons de revisiter ces troubles de l’initiation du mouvement en termes de dysfonctionnements exécutifs dans la maladie de Parkinson.Dans ce but, nous avons : 1) recherché les liens entre marqueurs cliniques (akinésie et impulsivité) et troubles du contrôle inhibiteur ; 2) identifié les dysfonctionnements cérébraux associés au moyen de méthodes électroencéphalographiques innovantes permettant de localiser les sources cérébrales et d’observer la dynamique des processus cérébraux ; et 3) sondé l’origine neurochimique de cette fonction à l’aide d’un protocole pharmacologique.Nos résultats suggèrent que l’impulsivité et l’akinésie sont les deux faces d’une même pièce, aux origines d’un dysfonctionnement du contrôle inhibiteur proactif non sélectif. Ils indiquent également que ce contrôle exécutif est sous-tendu par l’activité du noyau sous-thalamique et d’un réseau cortical médian comprenant le précuneus et l’aire motrice supplémentaire. Un rôle du système noradrénergique a également été mis en évidence à l’origine de ces troubles exécutifs. Ces travaux ouvrent donc la voie à de nouvelles perspectives thérapeutiques pour la maladie de Parkinson / Movement initiation disorders in Parkinson’s disease are multifaceted, are debilitating and have no satisfying therapeutic option. On the one hand, slowness and difficulties initiating voluntary movements contribute to akinesia, a cardinal symptom of the disease which is usually considered to be motor in origin and which is not fully alleviated by current medication. On the other hand, difficulties refraining voluntary movements contribute to impulsivity, a frequent side effect of current dopaminergic and neurosurgical therapies. Here, based on systematic analyses of the clinical neuroimaging literature, we suggest that these opposite forms of movement initiation disorders might be executive, not purely motor, in origin.To empirically test this hypothesis, we: 1) related clinical markers of the disease (akinesia and impulsivity) to behavioral indexes of inhibitory control impairment; 2) identified associated cerebral dysfunctions by means of advanced electroencephalographic (EEG) methods; and 3) investigated the neurochemical origin of these dysfunctions by combining pharmacological and cerebral stimulations with EEG recordings.Results suggest that impulsivity and akinesia are the two sides of the same coin. Indeed, they were found to be associated with opposite inhibitory control disorders, and dysfunctions of subthalamic cortical loops involving medial executive areas. Importantly, it was also found that restoring normal behavior and normal activity within these loops by means of deep brain stimulation depends on the level of noradrenergic tonus, opening the way for new therapeutic approaches for Parkinson’s disease

Mon projet de thèse porte sur les altérations de la réponse dopaminergique dans la maladie de Parkinson (MP). Les troubles moteur de la MP sont améliorés par la L-Dopa (précurseur de la dopamine) et/ou les agonistes dopaminergiques. Cependant, ces traitements engendrent des effets secondaires moteurs (les dyskinésies) et non-moteurs. Ainsi, environ 15% des patients atteints de la MP sous agoniste dopaminergique vont présenter des addictions comportementales avec un syndrome de sevrage, et 3 à 4% des patients traités à la L-Dopa ou à l’apomorphine développent une prise compulsive de médicament. Ces complications motrices et non-motrices des thérapies dopaminergiques, font intervenir une dysfonction du réseau des ganglions de la base. Ce travail a exploré le lien entre l’accumulation de la protéine ΔFosB et les modifications des propriétés électriques des neurones impliqués dans l’expression des dyskinésies, en utilisant une technique d’inactivation sélective des neurones exprimant ΔFosB dans le striatum de rat et de singe. Mes travaux ont également évalué chez le singe, comment la L-Dopa modifiait les taux de monoamines pour engendrer les dyskinésies. Ceci m’a permis de montrer que les structures cognitives et limbiques sont elles aussi affectées et qu’elles pourraient être directement impliqués dans les dyskinésies. Sur cette base, j’ai étudié la physiopathologie des troubles du traitement de la récompense et démontré que la L-Dopa, le traitement de référence de la MP, peut acquérir des propriétés récompensantes proches de celles de la cocaïne dans un modèle rat de la MP par surexpression de gène codant pour l’α-synucléine mutée. J’ai également utilisé des procédures d’auto-administration intraveineuse chez le rat pour montrer que le Pramipexole, un agoniste dopaminergique couramment utilisé dans le traitement de la MP, possédait des propriétés renforçantes. Ceci m’a permis de souligner que des susceptibilités individuelles sous-tendraient le développement de ces addictions comportementales. Ces découvertes ont ensuite été complétées par des expériences montrant que les altérations liées à la MP modifiaient le trait d’impulsivité des rats et que les traitements dopaminergiques pouvaient empirer ces changements. / My PhD focused on the alterations of the dopaminergic response in Parkinson’s disease (PD). Motor impairments in PD are reduced by the dopamine precursor L-Dopa and/or dopamine agonists. However, these medications elicit motor (dyskinesia) and non-motor side-effects. Up to 15% of PD patients under dopamine agonists experience behavioral addictions and withdrawal syndrome, and 3-4% of patients treated with L-Dopa or apomorphine exhibit compulsive medication intake. Both motor and non-motor complications of dopaminergic therapies involve dysfunctions in the basal ganglia network. I explored the link between deltaFosB protein accumulation and the cellular electrical properties that trigger dyskinesia by using a cell-type specific inactivation of FosB expressing neurons of the striatum in rats and monkeys. I have also investigated in monkeys how L-Dopa modifies monoaminergic functions to mediate dyskinesia and demonstrated that limbic/cognitive structures are identically affected providing a basis for a non-motor component involved in motor side effects in PD. From this, I studied the pathophysiology of addiction-like disorders by revealing that L-Dopa, the most widely-used treatment for PD, can acquire rewarding properties similar to cocaine in a viral-mediated rat model of PD. I also used self-administration procedures in rats to demonstrate the rewarding properties of Pramipexole, a dopamine agonist commonly use in the treatment of PD, and identified individual susceptibilities in the development of addiction-like disorders. These findings were followed by additional work showing that PD alterations modify the impulsivity trait of rats and that medication might worsen these changes.

Ce travail de thèse décrit et analyse la réaction neuro-inflammatoire accompagnant la mort cellulaire neuronale dans un modèle murin de la maladie de Parkinson. Dans ce modèle, induit par l’injection intrastriatale d'un analogue toxique de la dopamine, la 6-hydroxydopamine (6-OHDA), nous décrivons les caractéristiques et la cinétique de l’activation microgliale, de l'infiltration lymphocytaire T, de la perte de neurones dopaminergiques TH+ (Tyrosine Hydroxylase) et des altérations du comportement moteur. Nos observations sont complétées par une étude neuropathologique de la substance noire chez des patients atteints de maladie de Parkinson. Les résultats montrent que, chez l'homme comme chez la souris, la mort de neurones dopaminergiques induit une infiltration T de faible intensité, limitée à la substance noire et s'accompagnant d'une activation microgliale. Dans un deuxième temps, nous analysons l'impact d'une déficience lymphocytaire T génétiquement déterminée sur les paramètres histologiques et fonctionnels caractérisant le modèle 6-OHDA. Nos résultats montrent que, comparées à des souris contrôles immunocompétentes, les souris immunodéficientes de souche Foxn1 KO, CD3 KO, NOD SCID ou RAG1 KO présentent toutes, à des degrés divers, une susceptibilité significativement accrue aux effets neurotoxiques de la 6-OHDA. L'aggravation observée de la perte neuronale s'accompagne d'une accentuation majeure des troubles du comportement moteur et de l'activation microgliale. Ce travail démontre l'importance de la neuro-inflammation et de l'immunité adaptative dans la physiopathologie du modèle 6-OHDA. Il suggère également que les LyT infiltrant la substance noire des patients atteints de maladie de Parkinson exercent un rôle inhibiteur sur l'activation microgliale et pourraient par ce mécanisme ralentir l'évolution de la perte neuronale dopaminergique. En résumé, ce travail de thèse apporte un ensemble de données originales sur les interactions entre LyT, microglie et neurones dopaminergiques dans le contexte de la maladie de Parkinson et du modèle murin 6-OHDA / This thesis work describes and analyzes the neuroinflammatory reaction that accompanies neuronal cell death in a murine model of Parkinson's disease. In this model, induced by the intrastriatal injection of 6-hydroxydopamine (6-OHDA), a toxic dopamine analog, we report on the main features and kinetics of microglial activation, T-cell infiltration, loss of TH+ (Tyrosine Hydroxylase) dopaminergic neurons and motor behavior alterations. We also assessed the presence of T-cells in the susbstantia nigra of Parkinson's disease patients and found that, as observed in the 6-OHDA murine model, the neuronal cell death of dopaminergic neurons triggers a low-grade T-cell infiltration that accompanies microglial activation. We then studied the impact of genetically-determined T-cell immunodeficiency on histological and functional outcomes in the 6-OHDA model. Our results show that, as compared to immunocompetent control mice, immunodeficient strains consisting in Foxn1 KO, CD3 KO, NOD SCID or RAG KO mice consistently presented, at varied levels, a highest susceptibility to 6-OHDA induced dopaminergic neurodegeneration. The observed accentuation of neuronal cell loss was accompanied by a marked increase of microglial activation and motor behavior alterations. Our work demonstrates the pathophysiological role of neuroinflammation and adaptative immunity in the 6-OHDA model. It also suggests that T-cells infiltrating the substantia nigra of Parkinson's disease patients dampen microglial activation and could, via this inhibitory effect, slow the progression of dopaminergic cell loss. Overall this thesis work provides original data on the interactions between T-cells, microglia and dopaminergic neurons in the context of Parkinson's disease and the murine 6-OHDA model