Les ganglions de la base (GB) sont formés de structures sous-corticales essentielles à un comportement psychomoteur normal. Le dérèglement d’une seule de ces composantes provoque un comportement moteur inadapté qui peut être très handicapant. La maladie de Parkinson est la pathologie neurodégénérative la plus fréquente affectant les GB. Elle est principalement caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire pars compacta provoquant l’apparition de symptômes moteurs tels que la bradykinésie, la rigidité musculaire et le tremblement au repos. Cependant, le bouleversement majeur de l’innervation DA des GB conduit également à plusieurs autres changements neuroadaptatifs et compensatoires. Les travaux de recherche décrits dans cette thèse traitent de plusieurs de ces changements qui affectent la microcircuiterie des ganglions de la base et qui se produisent en marge de la perte massive des neurones DA. Tout d’abord, une étude portant sur l’innervation à sérotonine (5-HT) des ganglions de la base en condition normale et effectuée à partir de cerveaux post-mortem humains sera présentée. Cette étude immunohistochimique a permis de décrire la trajectoire qu’empruntent les faisceaux d’axones 5-HT en provenance des noyaux du raphé du tronc cérébral afin d’innerver les différentes composantes des GB. Ensuite, une description plus précise de l’arborisation axonale unitaire des neurones 5-HT provenant du noyau raphé dorsal chez le rat sera apportée. L’injection par microiontophorèse d’un traceur antérograde a permis de marquer et de reconstruire en trois dimensions l’arborisation axonale complète de plusieurs neurones, mettant ainsi en lumière l’hétérogénéité des projections 5-HT ascendantes. Les études seront ensuite présentées ont été effectuées à partir de modèles animaux de la maladie de Parkinson et mettent en valeur d’importants changements compensatoires. Ces travaux ont permis d’identifier de nouveaux phénomènes neuroadaptatifs concernant l’innervation DA et 5-HT du striatum et du globus pallidus (GP) suite à une lésion DA chez le singe cynomolgus (Macaca fascicularis). L’immunohistochimie combinée à une méthode quantitative stéréologique a conduit à mettre en évidence un bourgeonnement important des axones 5-HT dans le striatum ainsi que dans le GP. Une description précise en microscopie électronique de la structure morphologique fine suggère que les nouvelles varicosités axonales 5-HT retrouvées dans le striatum sont fonctionnelles et présentent davantage de contacts synaptiques, en lien avec un phénomène de bourgeonnement axonal. Contrairement à la dénervation DA massive du striatum, nos résultats indiquent une augmentation de près de dix fois le nombre d’axones DA dans le segment interne du GP. Finalement, des reconstructions du domaine somatodendritiques de neurones du striatum effectuées suite à l’injection intracellulaire de fluorophores ont mis en lumière un nouveau sous-type de neurones de projection du striatum. Ces injections effectuées chez un modèle murin de la maladie de Parkinson nous permettent de conclure que ce sous-type de neurones est affecté différemment par une dénervation DA. Dans l’ensemble, les travaux présentés dans cette thèse soulèvent l’importance de l’innervation DA et 5-HT dans le fonctionnement normal des GB, ainsi que les changements neuroadaptatifs qui surviennent dans la maladie de Parkinson. La description précise de ces changements morphologiques doit être prise en compte afin de mieux comprendre l’expression des symptômes moteurs et non-moteurs de la maladie de Parkinson et expliquer l’apparition des dyskinésies qui surviennent chez une vaste majorité des patients parkinsoniens suite à l’administration quotidienne de L-Dopa, principal traitement pharmacologique de la maladie. / The basal ganglia are a set of subcortical structures involved in psychomotor behaviour. Parkinson’s disease is the most common neurodegenerative disorder affecting the basal ganglia. The slow and progressive degeneration of dopamine (DA) neurons located in the substantia nigra pars compacta leads to disabling motor symptoms such as bradykinesia, resting tremor and rigidity. This work aims at describing the compensatory mechanisms affecting other neuronal systems and designed to compensate for the massive loss of the DA innervation of the basal ganglia. The thesis begins with a post-mortem human study of the main serotonin (5-HT) pathways arising from the raphe nuclei and innervating the different basal ganglia components in normal condition. The next chapter contains a morphological study providing the first detailed description of single axons arising from the dorsal raphe nucleus (DRN) in rats. In order to achieve our goal, under electrophysiological guidance, microiontophoretic tracer injections of an anterograde tracer were placed in the DRN to provide three-dimensional axonal reconstructions of single 5-HT neurons. Other studies presented were performed in animal models of Parkinson’s disease and brought to light new compensatory mechanisms involving the 5-HT and DA innervation of the basal ganglia. Two articles contain data on major neuroadaptative changes of DA and 5-HT innervation of the striatum and the globus pallidus (GP), following a DA lesion in cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis). Immunohistochemistry combined to unbiased quantitative approaches indicate an important sprouting of 5-HT axons in the monkey striatum and GP. Interestingly, in contrast to the massive striatal DA denervation, we report a ten-time increase of the number of DA axons in the GP internal segment of parkinsonian monkeys. Electron microscopy study suggests that the newly-formed 5-HT axon varicosities observed in the striatum establish more synapses after DA lesion, in line with the sprouting of 5-HT axons. The last chapter contains a meticulous morphological study of a peculiar population of medium spiny neurons endowed with a dendritic arborization that is less affected by DA lesion in mice. In summary, studies presented in this doctoral thesis shed a new light on some of the compensatory mechanisms observed in different basal ganglia components and designed to cope for the massive loss of DA neurons that characterize Parkinson’s disease. The compensatory mechanisms outlined in this work should be taken into account to better understand the expression of motor and non-motor symptoms as well as the expression of dyskinesia induced by long-term pharmacological treatment with L-Dopa.

Les mesures de plasticité synaptique ont historiquement impliqué l'utilisation de méthodes d'électrophysiologie qui, en intégrant les nombreux influx synaptiques, offrent une très grande sensibilité de détection de changements de forces synaptiques. Cette grande sensibilité se fait cependant aux dépens d'une information spatiale quant à la localisation des synapses subissant une plasticité. Sachant que la plasticité synaptique est un phénomène qui peut être indépendant d'une synapse à l'autre, il devient important d'avoir la possibilité de mesurer, à l'échelle synaptique, les changements moléculaires associés à cette plasticité. De nouveaux outils fluorescents développés dans les dernières décennies permettent maintenant de visualiser directement l'activité synaptique, la signalisation et le remodelage à l'échelle synaptique. Durant ma maîtrise en biophotonique, j'ai mesuré optiquement l'activité calcique résultant d'une libération spontanée de neurotransmetteurs à l'aide d'un nouveau senseur de calcium (Ca2+) génétiquement encodé, GCaMP6f. Pour ce faire, j'ai imagé par vidéo-microscopie des neurones d'hippocampes de rats en culture perfusés avec une solution sans Mg2+ contenant de la Tetrodotoxine (0Mg/TTX). J'ai observé, dans des compartiments dendritiques et dans des épines, des oscillations transitoires et localisées du Ca2+ intracellulaire, nommées influx synaptiques miniatures de Ca2+ (MSCTs). Afin de tester la possibilité de potentialiser les MSCTs, je les ai enregistrés avant et après un protocole de stimulation de 5 minutes reconnu pour induire une plasticité synaptique dans les neurones en culture (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). J'ai observé qu'une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des MSCTs, pouvant persister parfois jusqu'à une heure, est induite par le protocole de stimulation. J'ai donc tenté d'identifier les mécanismes moléculaires de cette plasticité. Les MSCTs sont principalement générés par l'ouverture des récepteurs NMDA, car ils sont presque totalement bloqués par l'addition d'AP5, un antagoniste sélectif au récepteur. De plus, l'ajout d'AP5 durant le protocole de stimulation bloque la plasticité. Il semble donc que les MSCTs et leur plasticité sont dépendants des récepteurs NMDA. Fait intéressant, ni les MSCTs ni leur plasticité ne sont bloqués par le NBQX, un antagoniste des récepteurs AMPA, ce qui laisse supposer que la plasticité résulte possiblement de changements dans la quantité et la composition des récepteurs NMDA, en plus des modifications dans la signalisation du Ca2+ et dans la régulation de la libération de neurotransmetteurs. Également, alors que nous avons observé que l'activité enzymatique de la CaMKII n'est pas essentielle pour l'induction et l'expression de la plasticité, certains résultats préliminaires démontrent un possible rôle de la PKA. Afin de tester mes diverses hypothèses, j'ai également combiné l'imagerie de Ca2+ avec l'imagerie d'autres composants pré et postsynaptiques, afin d'identifier les mécanismes moléculaires responsables de la plasticité des MSCTs. Dans l'ensemble, cette nouvelle mesure de la plasticité synaptique présente le potentiel de fournir de nouvelles connaissances sur la diversité des processus moléculaires qui régissent la potentialisation synaptique. / Classical measurements of synaptic plasticity have involved electrophysiological methods which provide high sensitivity for detecting small changes in synaptic strength. However, this approach does not provide much information about the location of the synapses that undergo plastic changes. Because synaptic plasticity can be synapse-specific, having the ability to monitor changes in synaptic strength at individual synapses is important in order to enable simultaneously monitoring of local molecular mechanisms associated with the plasticity. New fluorescent tools developed in the last decades allow to directly visualize synaptic activity, signaling, and remodeling at individual synapses. During my Master studies, I used optical imaging of a genetically-encoded calcium (Ca2+) sensor, GCaMP6f, to record miniature synaptic Ca2+ transients (MSCTs) in cultured rat hippocampal neurons. For these experiments, I performed video-microscopy on neurons perfused with external solution lacking Mg2+ and containing Tetrodotoxin (0Mg2+/TTX). I have observed highly localized and transient increases of intracellular Ca2+ in dendritic compartments and spines. To test whether these MSCTs can be potentiated, I have measured them before and after a 5 min stimulation known to induce plasticity in cultured neurons (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). A lasting increase in the frequency and amplitude of MSCTs, for at least an hour, arose from this stimulation protocol. I have thus investigated the molecular mechanisms of this plasticity. The MSCTs are mostly mediated by NMDA receptors, since they are almost totally blocked by the selective antagonist to the receptor, AP5. Moreover, addition of AP5 only during the cLTP stimulation blocks the MSCT plasticity. It thus appears that both the MSCTs and their plasticity are NMDA receptor-dependent. Interestingly, the MSCTs and their plasticity are not blocked by the AMPA receptor antagonists NBQX, pointing to possible changes in NMDA receptor content, postsynaptic Ca2+ signaling, or presynaptic neurotransmitter release. Also, while we found that CaMKII signaling is non-essential for the induction of the plasticity, preliminary data are showing a plausible PKA-dependency of the plasticity. To test these hypotheses, I have also tried to combine Ca2+ imaging with imaging of other pre and postsynaptic components, to identify the molecular mechanisms responsible for the MSCT plasticity. Overall, this new approach presented in this thesis might provide new knowledge on the diversity of molecular processes that support synaptic potentiation.

Le système visuel permet d’analyser et d’interpréter le monde qui nous entoure. L’intégration des stimuli visuels résulte de processus physiologiques et adaptatifs complexes. Ces processus adaptatifs font référence aux mécanismes de plasticité et à leur capacité à remodeler structurellement et fonctionnellement les circuits neuronaux. Fondamentale, la plasticité neuronale permet de s’adapter à son environnement. Les processus neurodéveloppementaux et adaptatifs consécutifs à une lésion dépendent en grande partie de mécanismes de plasticité, retrouvés dans l’ensemble du système nerveux central. De nombreux acteurs de la physiologie et de la plasticité neuro-visuelle ont été étudiés, souvent avec un objectif thérapeutique. Associée aux processus neurodégénératifs sous-jacents à de nombreuses neuropathologies, Tau, une protéine associée aux microtubules jouant un rôle dans le remodelage synaptique mais aussi dans la dynamique du cytosquelette, n’a jamais été étudiée dans la physiologie rétinienne et la plasticité visuelle. Notre hypothèse est que chez la souris adulte, Tau influence la physiologie rétinienne et les mécanismes de neuroplasticité visuelle. Notre premier objectif était d’étudier l’influence de la protéine Tau dans la physiologie rétinienne au cours du vieillissement. Nous avons comparé des souris exprimant la protéine Tau humaine dans un modèle de tauopathie modérée (hTau) à des souris déficientes pour la protéine Tau (Tau KO). L’influence de la protéine Tau dans la rétine est principalement étudiée d’un point de vue pathologique dans des modèles de tauopathies sévères associés à une surexpression de Tau mutée ou une augmentation pathologique de sa phosphorylation. Notre choix d’étudier les souris hTau reposait sur le fait que ces souris expriment la protéine Tau humaine non mutée et donc représentent un modèle plus proche de ce que l’on retrouve chez l’Homme. Cette étude a démontré que l’expression de la protéine Tau n’influençait pas la physiologie rétinienne au cours du vieillissement. Cette étude a suggéré également une toxicité neuronale différentielle de Tau entre la rétine et le cerveau dans un modèle modéré de tauopathie. Notre deuxième objectif était d’étudier l’influence de Tau dans la plasticité dépendante de l’expérience visuelle chez la souris adulte grâce au modèle de privation monoculaire. Tau est connue pour être impliquée dans les mécanismes de potentialisation à long terme. Cette seconde étude a permis de démontrer chez des souris sauvages (WT) que l’expression de Tau était modulée au cours du développement mais aussi au cours de l’induction de la plasticité visuelle en réponse à la privation monoculaire dans le cortex visuel. Grâce à l’étude du réflexe optocinétique permettant d’étudier l’acuité visuelle, en utilisant des souris Tau KO et des contrôles WT, nos résultats ont montré que Tau limite la plasticité visuelle chez l’adulte. L’analyse des cortex visuels a révélé un niveau d’expression de protéines associées à la plasticité plus élevé chez les souris Tau KO. Ces données ont permis de déterminer que la protéine Tau limite la plasticité visuelle chez la souris adulte. Notre troisième objectif était d’étudier le rôle de Tau dans la survie neuronale et la régénération axonale dans un modèle de lésion du nerf optique chez la souris adulte. La survie neuronale a été quantifiée sur rétines entières étalées et la régénération a été analysée par comptage des axones marqués grâce à un traceur antérograde injecté dans l’humeur vitrée. En utilisant des souris Tau KO et WT, nos analyses ont démontré que la protéine Tau n’influence ni la survie, ni la régénération axonale et ce, même lorsque la repousse axonale était favorisée par la libération soutenue de CNTF (ciliary neurotrophic factor), un facteur neurotrophique. Ces données ont mis en évidence que Tau n’influençait pas la survie neuronale et la régénération neuronale chez l’adulte. L’ensemble de nos résultats suggère donc que : 1/ Tau n’influence pas la physiologie rétinienne au cours du vieillissement et dans un modèle de tauopathie modérée, 2/ Tau limite la plasticité dépendante de l’expérience visuelle et 3/ Tau n’influence pas les mécanismes de survie neuronale et de régénération axonale du nerf optique. Pris ensemble, ces travaux mettent en évidence l’implication de Tau dans physiologie et les mécanismes de plasticité dans le système visuel. Ce nouveau rôle de Tau pourrait, à terme, mener au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le système visuel mais aussi plus généralement dans le système nerveux central lors d’altérations de la plasticité neuronale. / The visual system allows us to analyze and interpret the world around us. The integration of visual stimuli results from complex physiological and adaptive processes. These adaptive processes refer to the mechanisms of plasticity and their ability to structurally and functionally reshape neural circuits. Basically, neuronal plasticity allows to adapt to the environment. The neurodevelopmental and adaptive processes consecutive to a lesion are largely dependent on mechanisms of plasticity found throughout the central nervous system. Many factors in physiology and neuro-visual plasticity have been studied, often with a therapeutic objective. Associated with the neurodegenerative processes underlying many neuropathologies, Tau, a microtubule-associated protein playing a role in synaptic remodeling but also in the dynamics of the cytoskeleton, has never been studied in retinal physiology and visual plasticity. Our hypothesis is that in adult mice, Tau influences retinal physiology and the mechanisms of visual neuroplasticity. Our first objective was to study the influence of the Tau protein in retinal physiology during aging. We compared mice expressing human Tau protein in a model of moderate tauopathy (hTau) to mice deficient in Tau protein (Tau KO). The influence of the Tau protein in the retina is most often studied from a pathological point of view in severe tauopathy models associated with an overexpression of mutated Tau or a pathological increase in its phosphorylation. Our choice to study hTau mice was based on the fact that these mice express the unmutated human Tau protein and therefore represent a model closer to what is found in humans. This study demonstrated that the Tau protein expression does not influence retinal physiology during aging. Also, this study suggested differential neuronal toxicity of Tau between the retina and the brain. Our second objective was to study the influence of Tau in visual experience-dependent plasticity in adult mice using the monocular deprivation model. Tau protein has been reported to be involved in long-term potentiation mechanisms. This study demonstrated in wild mice (WT) that the expression of Tau was modulated during development but also during the induction of visual plasticity in response to monocular deprivation in the visual cortex. Thanks to the study of the optokinetic reflex, using Tau KO mice and WT controls, our results showed that Tau limits visual plasticity in adults. Analysis of visual cortices revealed a higher level of expression of proteins associated with plasticity in Tau KO mice. These findings highlighted that Tau protein is an important factor in visual plasticity of the adult mice. Our third objective was to study the role of Tau in neuronal survival and axonal regeneration in a model of optic nerve damage in adult mice. Neuronal survival was quantified on whole flat-mount retinae and regeneration by counting stained regenerated axons using an anterograde tracer injected into the vitreous humor. Using Tau KO and WT mice, our analyzes demonstrated that the Tau protein does not influence survival or axonal regeneration significantly, even when axonal regrowth was improved by the sustained release of CNTF (ciliary neurotrophic factor), a neurotrophic factor. These data demonstrated that Tau does not influence retinal survival and neuronal regeneration in adults. All of our results therefore suggest that: 1 / Tau does not influence retinal physiology during aging and in a mild model of tauopathy, 2 / Tau limitates plasticity dependent on visual experience and 3 / Tau does not influence retinal survival and axonal regeneration mechanisms of the optic nerve. Overall, this work highlights Tau's involvement in physiological and neuronal plasticity mechanisms in the visual system. This new role of Tau could ultimately lead to the development of new therapeutic strategies in the visual system but also more generally in the central nervous system during alterations in neuronal plasticity.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2024) / De par son implication dans plusieurs maladies neurologiques ainsi que dans les mécanismes sous jacents de la mémoire et de l'apprentissage, il est capital d'étudier la plasticité synaptique. Ce projet a cherché à développer des outils et protocoles permettant d'étudier les synapses et leur développement en utilisant le modèle du poisson-zèbre larvaire. À cet égard, j'ai exploité des techniques de biologie moléculaire pour concevoir et créer des plasmides codant pour l'expression de biomarqueurs synaptiques fluorescents. FingR-PSD95 (Fibronectin intrabody generated with mRNA display) est une protéine génétiquement encodée agissant à la manière d'un anticorps capable de cibler la protéine post-synaptique PSD95 localisée au niveau de l'espace post-synaptique des synapses excitatrices. Lorsqu'associé à une protéine fluorescente, FingR-PSD95 rend donc l'observation de synapses excitatrices en microscopie possible. Pour permettre au poisson-zèbre d'exprimer ces biomarqueurs, j'ai injecté des plasmides encodant FingR-PSD9 couplé à une protéine fluorescente verte (GFP) dans des œufs fécondés de poisson-zèbre au stade unicellulaire. Pour observer les prolongements neuronaux, j'ai utilisé un marquage membranaire rouge couplé au système FingR-PSD95. L'intégration de l'ADN plasmidique au génome du poisson-zèbre se fait par le système de transposase Tol2. Par la suite, j'ai employé des techniques de microscopie à fluorescence pour réaliser de l'imagerie synaptique sur des larves de poisson-zèbre vivantes. La caractérisation de ce marquage synaptique et de son efficacité chez le poisson-zèbre a alors permis de déterminer les stratégies d'optimisation nécessaires pour éventuellement développer une nouvelle lignée transgénique.Dans le cadre d'expériences de suivi de développement synaptique chez le poisson-zèbre, il est souhaitable de pouvoir imager des larves à des stades avancés de développement alors que leur répertoire comportemental se complexifie et leur organisation synaptique se développe considérablement. Il est nécessaire de développer des protocoles d'imagerie adaptés aux changements physiologiques dus à la maturation des larves. Ainsi, il sera possible d'étudier l'organisation synaptique du poisson-zèbre au travers d'expériences comportementales, d'apprentissage, et de manipulations de l'exposome (microbiote, toxines, stress, environnement social) à différents stades de développement.

La douleur ainsi que l’apprentissage moteur sont deux éléments importants à considérer en contexte de réadaptation. Même s’ils sont souvent abordés de manière isolée, des interactions ont été identifiées entre ces deux phénomènes. En effet, de nombreuses études montrent que les exercices de réadaptation musculaire pourraient réduire le développement de douleur pathologique. D’autre part, il semble que l’activité nociceptive pourrait altérer la plasticité du système moteur, une composante essentielle dans l’apprentissage d’une tâche motrice. Des recherches récentes ont aussi montré que la douleur pouvait interférer avec la plasticité du système moteur, même après que les signaux de douleurs se soient dissipés. Toutefois, ces observations ont été faites chez l’animal à la suite d’une lésion de la moelle épinière. De ce fait, la compréhension de cette interaction entre le système nociceptif et la plasticité motrice est assez limitée. Dans ce mémoire, l’effet d’un épisode de douleur passé sur la capacité d’apprentissage d’une tâche motrice a été évalué, chez le rat intact. Pour ce faire, nous avons élaboré une tâche dans laquelle les rats devaient apprendre à se déplacer d’un côté à l’autre d’un couloir sur des barres métalliques dont l’espacement pouvait être modifié. L’injection de substances inflammatoires à différentes durées d’action a permis d’identifier l’impact d’un épisode de douleur récent sur la capacité d’apprentissage d’une tâche motrice. Nos résultats montrent que, tout comme chez l’animal ayant une lésion de la moelle épinière, la douleur peut interférer avec l’apprentissage d’une tâche motrice même lorsque le système nerveux est intact. De plus, il semble que les déficits d'apprentissage moteur puissent également être influencés par la durée de l'épisode douloureuse antérieure. / Pain and motor learning are two important elements in rehabilitation context. Despite being mostly studied independently, important interactions exist between them in the context of spinal cord injury. Indeed, many studies show that rehabilitation exercises could reduce the development of pathological pain. On the other hand, it seems that the nociceptive activity could alter motor system plasticity. Recent studies have also shown that pain can interfere with motor plasticity, even when the acute pain signals have dissipated. However, these observations have mostly been made in animals following a spinal cord injury. As a result, this interaction between the nociceptive system and motor plasticity is poorly understood. In this master’s thesis, the effect of a prior pain episode on the motor learning ability was evaluated in neurologically intact rats. To do this, we trained rodents to walk on a custommade horizontal ladder. After initial training, the rats underwent a week-long rest, during which they were randomly assigned to a control group, or one out of two pain conditions. Nociceptive stimuli were then used to identify the impact of a prior pain episode on the motor learning ability. Our results show that pain can interfere with motor learning even in neurologically intact animals. Motor learning deficits also appear to be influenced by the duration of the previous pain episode. Taken together, these results suggest that previous pain episodes may negatively influence motor learning, and that the amplitude and duration of the learning disability is proportional to the duration of the prior pain episode.

L'accident vasculaire cérébral (AVC), est un problème de santé majeur au niveau mondial. Les traitements de réadaptation visent à réduire le fardeau individuel et sociétal engendrés par l'AVC, via l'amélioration de l'indépendance fonctionnelle et des déficiences sensoriels et moteurs. Par contre, la plupart des survivants conservent des séquelles chroniques et ce, malgré l'accès à des soins de réadaptation intensifs et spécialisés. La recherche se penche donc sur l'utilisation de technologies novatrices et sécuritaires pour notamment tenter de dépasser les gains obtenus en clinique. Parmi les différentes approches actuellement évaluées en recherche, les appareils de neurostimulation périphérique semblent favoriser la récupération des fonctions sensorimotrices, via la production massive d'informations somatosensorielles (cutanées et proprioceptives). Ces afférences forceraient le système nerveux central lésé à s'adapter, offrant une fenêtre temporelle pendant laquelle le cerveau serait dans un meilleur état pour recevoir une thérapie. Malgré ces données intéressantes, le manque de connaissances limite le transfert clinique de ces approches. En particulier, le rôle des afférences proprioceptives vs. cutanées sur les effets de la neurostimulation périphérique demeurent à ce jour mal compris. L'objectif principal de la thèse était de déterminer si la nature des afférences sensorielles recrutées par neurostimulation périphérique a un impact sur la plasticité cérébrale et les déficiences sensorimotrices chez une clientèle AVC au stade chronique. Les cinq études du doctorat visaient plus précisément à : (i) évaluer les propriétés métrologiques (fidélité et changement minimal détectable) d'un outil de mesure neurophysiologique (stimulation magnétique transcrânienne – TMS) utilisé dans la thèse pour tester la plasticité cérébrale (études 1 et 2); (ii) approfondir les connaissances reliées aux paramètres d'application et afférences produites par deux approches de neurostimulation périphérique, soit la rPMS (stimulation magnétique périphérique répétitive) et la NMES (stimulation électrique neuromusculaire) (étude 3); (iii) développer et valider une approche standardisée permettant d'induire des illusions de mouvement par vibration musculo-tendineuse (VIB), puis débuter son processus de validation (étude 4); (iv) déterminer l'influence des afférences sensorielles sur la plasticité cérébrale et la récupération sensorimotrice chez des personnes au stade chronique post-AVC en comparant les effets aigus de trois interventions de neurostimulation périphérique (NMES, rPMS, VIB) avec une séance d'exercices (étude 5). Dans l'ensemble, les résultats des études supportent : (i) que les évidences actuelles ne permettent pas de conclure sur la fidélité des mesures TMS, mais que les erreurs de mesure observées encouragent l'utilisation de ces mesures pour suivre des changements de groupe plutôt qu'individuels; (ii) que notre procédure standardisée utilisant les illusions de mouvement induites par la VIB est valide chez des individus au stade chronique post-AVC et (iii) que le recrutement préférentiel des afférences proprioceptives semble plus efficace pour favoriser la plasticité cérébrale et l'amélioration des déficiences sensorimotrices chez des individus vivant avec les séquelles chroniques d'un AVC. Toutefois, avant de considérer un potentiel transfert clinique des approches étudiées dans la thèse, des études supplémentaires devront évidemment reproduire nos résultats et approfondir les diverses réflexions soulevées.

Les folates (vitamine B9) et la vitamine B12 interviennent comme cofacteurs dans le métabolisme des monocarbones qui régule les réactions de transméthylation impliquées dans les mécanismes épigénétiques. Un déficit en folates et/ou B12 réduit la production de méthionine à partir de l'homocystéine, un acide aminé toxique dont l'accumulation a été associée à la survenue de pathologies du système nerveux central aux différents stades de la vie (spina bifida, maladie d'Alzheimer…). Afin d'explorer les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la réponse à la carence en ces micronutriments, nous avons développé deux nouveaux modèles cellulaires. Ainsi, nous avons étudié les effets d'une déficience en folate sur la prolifération, la différenciation et la plasticité neuronale de progéniteurs neuronaux issus de l'hippocampe d'embryons de rat, la lignée H19-7. Le second modèle correspond à un projet innovant visant à obtenir une déplétion cellulaire en B12 par séquestration membranaire. Il a été obtenu par transfection stable de la lignée de neuroblastome murin NIE-115 dans le but d'induire l'expression d'une protéine chimère contenant le transporteur plasmatique de la vitamine B12, la transcobalamine II, et une protéine d'ancrage membranaire. L'ensemble de ces travaux montre que les altérations du métabolisme des monocarbones associées aux carences répriment la neurogenèse et induisent des troubles de la différentiation neuronale. Ceci suggère l'existence de mécanismes précis par lesquels le déficit en folates, en vitamine B12 et/ou l'homocystéine peuvent affecter le fonctionnement du cerveau et sa plasticité. / Folate (vitamin B9) and vitamin B12 act as cofactors in the one-carbon metabolism that regulates transmethylation reactions involved in epigenetic mechanisms. A deficiency in folate and/or B12 decreases the generation of methionine from homocysteine, a toxic amino acid that has been associated with pathologies of the central nervous system at all ages (spina bifida, Alzheimer's disease…). In order to depict the cellular and molecular mechanisms implicated in the response to the deficiency in these micronutrients, two new cell models have been developed. Thus, we have analyzed the effects of folate deficiency on proliferation, differentiation and neuroplasticity of neuronal progenitors obtained from the hippocampus of rat embryos, i.e. the H19-7 cell line. Regarding the second model, we designed an original approach by stable transfection of NIE-115 murine neuroblastoma cells to impose the anchorage of a chimeric B12 binding protein, transcobalaminoleosin (TO) to intracellular membrane in order to produce intracellular sequestration of B12. Taken together, our results have shown that deficiency-associated alterations of the one-carbon metabolism lead to reduced neurogenesis and to dramatic impairment of neuron differentiation. This suggests the existence of specific mechanisms through which vitamin B9/B12 deficiency and/or homocysteine may affect brain functioning and plasticity.

L’hypodynamie-hypokinésie est une situation correspondant à une diminution de l’activité motrice (hypokinésie) couplée à une diminution des charges corporelles (hypodynamie). Chez l’homme, cette situation est retrouvée lors d’une immobilisation, d’un alitement prolongé, d'un séjour en microgravité, ou lors du vieillissement (syndrome d’immobilité). L’hypodynamie-hypokinésie entraine une sévère altération de la performance motrice, notamment de l’équilibre, de la posture et de la locomotion. Cette altération est due à une dégradation du système musculaire (atrophie, changements phénotypiques), mais également à une modification des propriétés fonctionnelles du cortex sensorimoteur (réorganisation corticale, changements d’excitabilité corticale, modifications morphologiques). Si l’altération du système musculaire est bien décrite dans la littérature, les mécanismes impliqués dans la plasticité corticale restent mal connus. Une meilleure compréhension des systèmes mis en jeu dans l’hypodynamie-hypokinésie permettrait de développer des stratégies de prévention et/ou de récupération chez les patients soumis à cette situation. Dans cette optique, un modèle animal est communément utilisé au laboratoire. Il s'agit du modèle d'élévation du train postérieur pendant 14 jours chez le rat. Ainsi, les charges corporelles, s’exerçant habituellement sur les membres postérieurs, sont prévenues et l’activité musculaire limitée. Ce modèle animal reproduit la plupart des effets de l'hypodynamie-hypokinésie décrits chez l'homme.L’objectif de cette étude a été d’explorer les mécanismes de la réorganisation corticale induite par l’hypodynamie-hypokinésie. Notre intérêt s’est plus particulièrement porté sur l’insulin-like growth factor 1 (IGF-1), une protéine ubiquitaire possédant de nombreux rôles au niveau cérébral. En effet, en se fixant à son récepteur, l’IGF-1, parmi une multitude de phénomènes, stimule l’angiogenèse, la neurogenèse, et participe à la plasticité synaptique. De plus, il est reconnu comme étant un acteur central des effets bénéfiques de l’exercice physique au niveau cérébral.Aussi, dans un premier temps, nous avons déterminé les effets de cette hypoactivité sur l’IGF-1 et les voies de signalisation associées dans plusieurs structures impliquées dans la régulation de la performance motrice (cortex sensorimoteur, striatum, cervelet). Nos résultats montrent une sévère diminution des taux d’IGF-1 et de l’activation de la voie PI3K-AKT, et ce spécifiquement dans le cortex sensorimoteur.Dans un second temps, nous avons voulu déterminer si en maintenant le taux d’IGF-1 pendant toute la durée de l’hypodynamie-hypokinésie, il était possible de prévenir la réorganisation corticale et ses conséquences délétères sur le comportement moteur. Pour cela, dans une première partie, notre étude a porté sur le cortex somesthésique et la sensibilité tactile. Nos résultats montrent que l’IGF-1 prévient partiellement la réorganisation corticale et l’altération de la sensibilité tactile induites par l’hypoactivité. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés à l’analyse du cortex moteur et de la performance motrice. Il apparait qu’un maintien des taux d’IGF-1 prévient une partie de l’altération du système moteur retrouvée en situation d’hypodynamie hypokinésie. Ainsi, l’ensemble de ces données suggère que la diminution des taux d’IGF-1 observée en condition d’hypoactivité joue un rôle clé dans la réorganisation corticale. De plus, notre étude montre qu’une prévention, même partielle, de cette réorganisation corticale peut induire une amélioration fonctionnelle de la performance motrice. / Hypodynamia-hypokinesia is a condition in which the motor activity (hypodynamia) as well as the weight exerted on the lower limbs (hypokinesia) are reduced. In humans, this condition is induced in immobilization, bed-rest, spaceflight or ageing (immobility syndrome) and is characterized by a chronic reduction in neuromuscular activity. This hypoactivity results in a profound alteration of motor task performances, in particular posture, gait and locomotion. These impairments are due to alterations in the muscular system (atrophy, phenotypic changes), but also to plastic changes in neural functions (cortical reorganization, alterations in cortical excitability, morphologic modifications). While degradation of the muscular system is described in the literature, the mechanisms involved in cortical plasticity are still unclear. A better understanding of the systems involved in hypodynamia-hypokinesia would allow the development of preventive and / or recovery strategies for patients affected by this hypoactivity. In this regard, hindlimb unloading is a disuse rodent model in which the elevation of the hindlimbs, during 14 days, prevents the weight to be normally exerted on the hindlimbs and reduces the normal muscular activity, finally causing hypoactivity. Studies performed on this model have shown that hindlimb unloading and human hypoactivity have similar effects. Today, our interest is turned towards insulin-like growth factor 1 (IGF-1), a ubiquitous protein involved in many cerebral functions. Indeed, IGF-1 is known to improve, inter alia, angiogenesis, neurogenesis and to be involved in synaptic plasticity in the whole brain. Moreover, several publications suggest that IGF-1 might mediate the beneficial effects of exercise on the brain.The aim of this study is to characterize the role of IGF-1 in cortical reorganization induced by hindlimb unloading as well as its functional consequences on motor performance. In the first part of the study, we have determined the effects of hindlimb unloading on IGF-1 level and the impact of its downstream main molecular pathways in motor control (sensorimotor cortex, striatum, cerebellum). Our results indicate that hindlimb unloading induces a decrease in IGF-1 level specifically in the sensorimotor cortex. This alteration is associated to a decrease in activation of the PI3K-AKT pathway. The second part of this study is dedicated to the effects of a restoration of IGF-1 levels, during the whole unloading period, on cortical reorganization and behavioral alterations focusing on sensory cortex and tactile sensory discrimination as well as motor cortex and motor performances. Our results show that treatment with IGF-1 partially prevents cortical reorganization and degradation of tactile sensory discrimination. Additionally, it appears that restoration IGF-1 levels prevent some of the effects of hindlimb unloading on the motor system.Taken together, ours results suggest that the decrease in the level of IGF-1 in the sensorimotor cortex during hindlimb unloading plays a key role in the cortical reorganization induced by hypoactivity. Moreover, our study shows that the prevention of this cortical reorganization, even when partial, can induce functional improvement in motor performance.

A l’heure actuelle, il reste largement à étudier comment le codage sensoriel des signaux vocaux de communication contribue à leur détection et à leur reconnaissance. Peu d’études se sont, en effet, penchées sur le codage des vocalisations au niveau des régions auditives en fonction de l’individu qui les produit et du degré de familiarité avec cet individu. Dans ce cadre, les oiseaux chanteurs sont un bon modèle parce qu’ils utilisent des vocalisations pour interagir et reconnaître leurs congénères et qu’ils possèdent, de plus, un ensemble de régions auditives. Parmi ces régions, le nidopallium caudomedian (NCM), une aire auditive analogue du cortex auditif secondaire chez les mammifères, est actuellement considérée comme une région spécialisée dans le traitement des vocalisations (chants et cris) de l’espèce : les neurones du NCM répondent plus fortement aux vocalisations de l’espèce qu’à celles d’une autre espèce. À partir de là, parce que chez le diamant mandarin, le cri de distance permet aux individus, mâles ou femelles, de reconnaître leur partenaire sexuel, nous avons cherché à savoir si, chez les femelles comme chez les mâles, les neurones du NCM montraient une discrimination dans leurs réponses auditives entre le cri d’individus connus (parmi lesquels figurait le partenaire sexuel) et ceux d’individus inconnus et si ces réponses reflétaient le degré de familiarité de ces vocalisations. Les enregistrements de l’activité des neurones du NCM, chez des diamants mandarins vigiles (grâce à un système de télémétrie) ou anesthésiés, lors de la présentation de cris de distance, ont révélé, chez les femelles vivant en couple et ayant été familiarisées avec un autre couple de diamants mandarins, une plus forte augmentation de l’activité lors de la diffusion des cris d’individus connus, mâles ou femelles, qu’aux cris d’individus inconnus. Une telle augmentation n’a pas été, en outre, observée chez des femelles contrôles qui n’avaient jamais entendu ces mêmes cris auparavant. De plus, ils ont indiqué que le nombre de neurones montrant un fort degré de sélectivité ainsi que la quantité d’information portée par les trains de potentiels d’action étaient plus importants chez les femelles vivant en couple que chez les femelles contrôles. En revanche, chez les mâles, bien que la plupart des neurones montrait des réponses lors de la diffusion des cris, aucune différence n’a été mise en évidence entre les cris d’individus connus et ceux d’inconnus. Nous avons alors cherché à savoir comment, d’un point de vue acoustique, les cris de distance étaient représentés au sein du NCM. En se basant sur une étude comportementale ayant déterminé quelles étaient les caractéristiques acoustiques qui contribuaient à la reconnaissance de ces cris, nous avons cherché à savoir si les neurones du NCM étaient sensibles à ces mêmes caractéristiques acoustiques. Les résultats ont montré que, chez les femelles, la suppression de la fréquence fondamentale et la modification du timbre du cri du partenaire sexuel ou du propre cri de l’oiseau provoquaient une forte diminution des réponses au sein du NCM alors que, chez les mâles, les réponses variaient selon le paramètre modifié et le type de cri présenté. Nos résultats suggèrent donc que, chez le diamant mandarin, le NCM est impliqué dans le codage du cri de distance. Cependant, ils mettent en évidence des différences dans ce codage entre les mâles et les femelles. Chez les femelles, ce codage permet de discriminer entre les cris d’individus connus et ceux d’individus inconnus alors que chez les mâles, son rôle reste à être déterminé. Chez les femelles, l’expérience sociale au travers de la mémorisation des signaux de communication des individus peut donc façonner les propriétés fonctionnelles des neurones d’une aire auditive secondaire. Ces propriétés pourraient donc continuellement subir des changements pour s'adapter à l’environnement social de l’individu. / How sensory signals are encoded in the brain and whether their behavioural relevance affects their encoding are central questions in sensory neuroscience. Studies have consistently shown that behavioural relevance can change the neural representation of sounds in the auditory system, but what occurs in the context of natural acoustic communication where significance could be acquired through social interaction remains to be explored. The zebra finch, a highly social songbird species that forms lifelong pair bonds and uses a vocalization, the distance call, to identify its mate offers an opportunity to address this issue. One auditory area in the songbird telencephalon, the caudo-medial nidopallium (NCM) that is considered as being analogous to the secondary mammalian auditory cortex, has recently emerged as part of the neural substrate for sensory representation of species-specific vocalizations: the activation of NCM neurons is greatest when birds are exposed to conspecific song, as compared to heterospecific song or artificial stimuli. This led us to investigate whether, in the zebra finch, NCM neurons could contribute to the discrimination among vocalizations that differ in their degree of familiarity: calls produced by the mate, by familiar individuals (males or females), or by unfamiliar individuals (males or females). In females, behaviourally relevant calls, i.e. the mate’s call and familiar calls, evoked responses of greater magnitude than unfamiliar calls. This distinction between responses was seen both in multiunit recordings from awake freely moving mated females (using a telemetric system) and in single unit recordings from anesthetized mated females. In contrast, control females that had not heard them previously displayed response of similar magnitude to call stimuli. In addition, more cells showed highly selective responses in mated than in control females suggesting that experience-dependent plasticity in call-evoked responses resulted in enhanced discrimination of auditory stimuli. In males, as in females, call playback evoked robust auditory responses. However, neurons in males did not appear capable of categorizing the calls of individuals (males or females) as ‘‘familiar’’ or ‘‘unfamiliar’’. Then, we investigated how calls are represented in the NCM of zebra finches by assessing whether certain call-specific acoustic cues drove NCM neurons to a greater degree than others. Behavioural studies had previously identified call-specific acoustic cues that are necessary to elicit a vocal response from male and female zebra finches. Single-unit recordings indicated that NCM neurons in females were particularly sensitive to call modifications in the spectral domain: suppressing the fundamental frequency of call stimuli or modifying the relative energy levels of harmonics in call caused a marked decrease in response magnitude of NCM neurons. In males, NCM neurons also appear to be sensitive to call modifications in the spectral domain, however changes in magnitude of responses (increase or decrease) depended on the acoustic cue that had been modified.Our results provide evidence that the NCM is a telencephalic auditory region that contributes to the processing of the distance call, in females as well in males. However, how the distance call is processed and represented in the NCM appears to differ between males and females. In females, the NCM could be involved in dicrimination between call stimuli whereas, in males, its functional role in call-processing remains to be determined. Our results also suggest that, in females, social experience with the call of individuals, by affecting the degree to which neurons discriminated between these calls, may shape the functional properties of neurons in a telencephalic auditory area. The functional properties of auditory neurons may therefore change continuously to adapt to the social environment.

A l'heure actuelle, il reste largement à étudier comment le codage sensoriel des signaux vocaux de communication contribue à leur détection et à leur reconnaissance. Peu d'études se sont, en effet, penchées sur le codage des vocalisations au niveau des régions auditives en fonction de l'individu qui les produit et du degré de familiarité avec cet individu. Dans ce cadre, les oiseaux chanteurs sont un bon modèle parce qu'ils utilisent des vocalisations pour interagir et reconnaître leurs congénères et qu'ils possèdent, de plus, un ensemble de régions auditives. Parmi ces régions, le nidopallium caudomedian (NCM), une aire auditive analogue du cortex auditif secondaire chez les mammifères, est actuellement considérée comme une région spécialisée dans le traitement des vocalisations (chants et cris) de l'espèce : les neurones du NCM répondent plus fortement aux vocalisations de l'espèce qu'à celles d'une autre espèce. À partir de là, parce que chez le diamant mandarin, le cri de distance permet aux individus, mâles ou femelles, de reconnaître leur partenaire sexuel, nous avons cherché à savoir si, chez les femelles comme chez les mâles, les neurones du NCM montraient une discrimination dans leurs réponses auditives entre le cri d'individus connus (parmi lesquels figurait le partenaire sexuel) et ceux d'individus inconnus et si ces réponses reflétaient le degré de familiarité de ces vocalisations. Les enregistrements de l'activité des neurones du NCM, chez des diamants mandarins vigiles (grâce à un système de télémétrie) ou anesthésiés, lors de la présentation de cris de distance, ont révélé, chez les femelles vivant en couple et ayant été familiarisées avec un autre couple de diamants mandarins, une plus forte augmentation de l'activité lors de la diffusion des cris d'individus connus, mâles ou femelles, qu'aux cris d'individus inconnus. Une telle augmentation n'a pas été, en outre, observée chez des femelles contrôles qui n'avaient jamais entendu ces mêmes cris auparavant. De plus, ils ont indiqué que le nombre de neurones montrant un fort degré de sélectivité ainsi que la quantité d'information portée par les trains de potentiels d'action étaient plus importants chez les femelles vivant en couple que chez les femelles contrôles. En revanche, chez les mâles, bien que la plupart des neurones montrait des réponses lors de la diffusion des cris, aucune différence n'a été mise en évidence entre les cris d'individus connus et ceux d'inconnus. Nous avons alors cherché à savoir comment, d'un point de vue acoustique, les cris de distance étaient représentés au sein du NCM. En se basant sur une étude comportementale ayant déterminé quelles étaient les caractéristiques acoustiques qui contribuaient à la reconnaissance de ces cris, nous avons cherché à savoir si les neurones du NCM étaient sensibles à ces mêmes caractéristiques acoustiques. Les résultats ont montré que, chez les femelles, la suppression de la fréquence fondamentale et la modification du timbre du cri du partenaire sexuel ou du propre cri de l'oiseau provoquaient une forte diminution des réponses au sein du NCM alors que, chez les mâles, les réponses variaient selon le paramètre modifié et le type de cri présenté. Nos résultats suggèrent donc que, chez le diamant mandarin, le NCM est impliqué dans le codage du cri de distance. Cependant, ils mettent en évidence des différences dans ce codage entre les mâles et les femelles. Chez les femelles, ce codage permet de discriminer entre les cris d'individus connus et ceux d'individus inconnus alors que chez les mâles, son rôle reste à être déterminé. Chez les femelles, l'expérience sociale au travers de la mémorisation des signaux de communication des individus peut donc façonner les propriétés fonctionnelles des neurones d'une aire auditive secondaire. Ces propriétés pourraient donc continuellement subir des changements pour s'adapter à l'environnement social de l'individu.