Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le trouble obsessionnel-compulsif (TOC) est un trouble anxieux fréquent et invalidant. Pour un grand nombre de patients, il existe une résistance aux thérapeutiques actuellement disponibles, soulignant toute l'importance de mieux préciser la physiopathologie du TOC. Le principal objectif de cette thèse est d’étudier les altérations anatomiques et fonctionnelles des voies thalamo-corticales intéressant le cortex orbitofrontal (COF) et le cortex cingulaire antérieur (CCA) dans le TOC. Pour cela, nous avons utilisé plusieurs outils complémentaires permettant d’appréhender cette problématique sous différents angles méthodologiques.Concernant les altérations anatomiques associées au TOC, nous avons rapporté les données de méta-analyses des études de neuro-imagerie volumétrique et morphométrique ainsi que les résultats d'une étude originale d'imagerie volumétrique. Une diminution du volume orbitofrontal, une augmentation du volume thalamique et une relation entre ces modifications de volumes ont été observées chez les patients avec TOC comparativement aux témoins. Les modifications de densité de matière grise concernaient le COF et le putamen dans le sens d'une augmentation et les cortex pariétal et préfrontal dorsolatéral dans le sens d'une diminution dans le TOC.Concernant les altérations fonctionnelles associées au TOC, nous avons détaillé un travail de méta-analyse des études d'imagerie fonctionnelle, un travail expérimental chez le primate basé sur des manipulations pharmacologiques intra-cérébrales, puis un travail expérimental chez l'homme reposant sur le développement d'une tâche comportementale originale couplée à l'imagerie fonctionnelle. Dans notre méta-analyse, nous avons décrit la participation fonctionnelle de régions comme le COF, le thalamus et le striatum lorsque des symptômes obsessionnels et compulsifs étaient provoqués chez des patients. Chez le primate subhumain, nous avons montré qu'une hyperactivation du noyau ventral-antérieur, par levée de l'inhibition GABAergique, entraînait l'apparition de comportements pseudo-compulsifs. Ensuite, à l'aide d'une tâche originale qui mettait les sujets en situation de vérifier, nous avons mis en évidence que les dysfonctions orbitofrontales associées au doute lors de la prise de décision n'étaient pas modulées ni par les informations contextuelles (signaux d'erreur), ni par la réponse comportementale chez les patients avec TOC comparativement à des sujets témoins.Enfin, la superposition des cartes morphométriques et fonctionnelles a trouvé une relation entre les altérations anatomiques et fonctionnelles au sein du COF. Nos résultats soulignent toute l'importance des voies thalamo-orbitofrontales dans la physiopathologie du TOC. / Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a frequent and disabling anxiety disorder. Available treatments are effective for most patients but impairing residual symptoms and treatment resistance are common in OCD patients. Therefore, a better understanding of OCD pathophysiology is essential for further improvement of therapeutic strategies. The main goal of my thesis was to assess the anatomical and funtional thalamocortical alterations associated with OCD. Concerning the anatomical thalamocortical alterations associated with OCD, we conducted two meta-analyses of anatomical neuroimaging studies and an original volumetric neuroimaging study. We reported a smaller thalamic volume and a greater orbitofrontal volume, but also an inverse relationship between the volume changes in OCD patients compared with healthy subjects. Furthermore, we showed that gray matter density within the orbitofrontal cortex and the putamen were enhanced in OCD. Concerning the functional thalamocortical alterations associated with OCD, we reported data coming from a meta-analysis of functional neuroimaging studies, an experimental study in subhuman primates using local brain pharmacological manipulations and an event-related neuroimaging study in OCD patients. In our meta-analysis, we showed that the orbitofrontal cortex, the thalamus and the striatum were involved in the mediation of OCD symptoms. In subhuman primates, the pharmacologically induced overactivity within the ventralanterior thalamic nucleus leaded to the emergence of compulsive-like behaviors. Then, in our neuroimaging study, we found that doubt-related orbitofrontal dysfunctions were not modulated by neither error signals nor compulsive-like behaviors in OCD patients, compared with healthy subjects. Finally, we described by using meta-analytic data that anatomical and functional brain alterations overlap with the lateral orbitofrontal cortex in OCD. In conclusion, our results suggest that the thalamo-orbitofrontal network may play a primary role in the genesis and mediation of OCD symptoms.

Ces dernières décennies, on a assisté à l’augmentation du nombre de technologies et de concepts permettant l’analyse des interactions intermoléculaires. Dans ce contexte, les puces à fluorescence restent les plus fréquemment utilisées. Cependant, cette technologie bien que très sensible et multiplexée, ne permet pas d’avoir accès aux paramètres cinétiques, indispensables au calcul des constantes d’affinité et la recherche de systèmes alternatifs s’impose. Dans cette optique, la résonance plasmonique de surface par imagerie (SPRi) est considérée comme une véritable option. Cette technologie se caractérise par l’absence de marquage et permet de suivre en temps réel d’infimes variations de masses consécutives à des interactions intermoléculaires sur la surface du prisme. L’obtention de constantes d’affinité est ainsi possible. En revanche, la SPRi présente un certain nombre de limites, principalement au niveau de la sensibilité et du multiplexage. Les objectifs de la thèse ont ainsi consisté à combler en partie ces différentes limites. La chimie de greffage basée sur l’utilisation d’oligonucléotides modifiés par un thiol a permis d’améliorer le multiplexage et de déposer plus de 1000 spots par cm² sur la surface d’or du prisme. Dans le même temps, la modification de la surface avec des colloïdes d’or et des dendrimères a permis pour des interactions ADN/ADN, d’atteindre une limite de détection de 2 nM (d’où un gain de 200%). En parallèle de ces travaux, diverses applications biologiques ont été effectuées. Une première étude a consisté à rechercher des ligands spécifiques des structures G-quadruplex des télomères. Une seconde étude s’est portée sur le complexe de partition bactérien. Par des études de criblage les bases impliquées dans l’interaction avec une protéine indispensable à la partition du plasmide F chez E.coli ont été identifiées. L’ensemble de ces travaux ont montré le fort potentiel de la SPRi et les applications potentielles qui en découlent sont nombreuses. / During the last decades a large number of technologies have been developed to analyze intermolecular interactions. In this context, the fluorescence biochips remain the most frequently used. Although this technology is very sensitive and multiplexed, it does not allow access to the kinetic parameters, essential to the calculation of the constants of affinity. Therefore, the research for alternative systems is essential. In this way, the Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) is considered as an opportunity. It is an optical detection process that can occur when a polarized light hits a prism covered by a thin metal layer. Under certain conditions free electrons at the surface of the biochip absorb incident light photons and convert them into surface plasmon waves. Perturbations at the surface of the biochip, such as an interaction between probes immobilized on the chip and targets, induce a modification of resonance conditions which can be measured. It is a label free technology which allows intermolecular interactions in real time and gives access to the kinetics parameters. However, SPRi is limited in sensitivity and multiplexing. The objectives of my PhD were to circumvent these various limits. Thus, we validated the immobilization of DNA probes on gold surface using thiol-modified oligonucleotide probes. Deposition carried out on non-modified gold surface, does not require electrical stimulation and expensive specific robotic devices. The thiol modification of the probes was shown to be very stable at room temperature, contrary to pyrrole and diazonium probes that need to be prepared just prior to their spotting. We demonstrate that thiol-modified oligonucleotide probes spotted on a gold surface of the SPRi-prisms are very robust and reproducible. We also demonstrated that this simple chemistry is compatible with high density arrays fabrication bearing more than 1000 spots using a classical spotter. Furthermore, the modification of the prism surface with gold colloids and dendrimers allowed for DNA/DNA interactions, to reach a detection limit of 2 nM. In parallel of this work, various biological applications were carried out and validate our previous developments. A first study was to screen G-quadruplex specific ligands to inhibit telomerase activity. We demonstrated that SPRi technology is particularly well adapted to the screening of interaction of small molecules with DNA probes and is sensitive enough to permit distinction between interactions with different DNA structures. The second study was on the bacterial partition complex. We study the DNA binding requirement involved in SopB-sopC specific interactions and analysed at the nucleotide level the bases involved in the binding efficiency and essential for the partition All this PhD work improved the SPRi technology and demonstrated its great potential in biological applications.

Le mercure est présent dans l'environnement à cause de phénomènes naturels (volcans) ou des activités humaines (combustion de combustibles fossiles). Le mercure existe sous forme de mercure élémentaire (Hg0), ionique (HgII) ou organique tel le méthylmercure (MeHg). Ces diverses formes sont en flux constant les uns avec les autres dans le cycle biogéochimique naturel. De par leur grande hydrophobicité et leur capacité à pénétrer les membranes biologiques, les composés organomercuriels contituent la forme la plus toxique de mercure retrouvée dans l’environnement Des niveaux élevés de MeHg ont d’ailleurs été détectés dans la chaire de poissons de nombreuses régions du monde. Conséquemment, une consommation de produits de la mer contaminés représente un grave danger pour la santé humaine. Certaines bactéries isolées à partir d'environnements contaminés par le mercure ont évolué vers un système qui leur permet de convertir efficacement les composés mercuriels présents autant sous forme ionique qu’organique en un mercure élémentaire moins toxique. Cette résistance au mercure s’explique par l'acquisition d'un élément génétique connu sous le nom d’opéron mer. L’opéron mer code entre autre pour deux enzymes importants : la lyase organomercurielle MerB et la réductase mercurielle MerA. MerA catalyse la réduction du HgII conduisant à la formation du mercure élémentaire Hg0 qui est un composé volatile et moins toxique. MerB, quant à elle, catalyse la protonolyse de la liaison carbone-mercure de composés organomercuriels pour produire un composé réduit de carbone et du mercure ionique (HgII). Au vu des effets des organomercuriels et de la réduction de HgII, MerA et MerB sont considérés comme des enzymes clés pouvant servir à la biorestauration des cours d'eau contaminés par les organomercuriels. Une compréhension claire des détails mécanistiques de la façon dont MerA et MerB fonctionnent ensemble au niveau atomique est donc cruciale dans la mise en œuvre de biotechnologies implicant l’opéron mer dans les efforts de bioremédiation. Dans cette étude, nous avons utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN)et la cristallographie aux rayons X pour caractériser la structure et le mécanisme enzymatique de MerB de E. coli. Sur la base d’études structurales précédentes de MerB de E. coli, trois résidus (Cys96, Asp99 et Cys159) ont été identifiés comme constituant la triade catalytique nécessaire au clivage de la liaison carbone-Hg. En guise de suivi aux études antérieures, mon projet consiste d’abord à utiliser la cristallographie aux rayons X afin de définir les rôles de Cys96, Asp99 et Cys159 dans la liaison du substrat et dans le clivage. Deux approches ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif. Tout d'abord, les mutants MerB ont été testés pour définir le rôle des résidus catalytiques. Deuxièmement, les inhibiteurs de MerB et d'autres substrats non organicomercuriels potentiels ont été utilisés pour explorer le site actif de MerB. Une sérine se retrouve à la position de Asp99 dans quatre variants de MerB répertoriés chez les bactéries. Pour mieux comprendre le rôle de Asp99, nous avons comparé la sérine présente dans le variants MerB de Bacillus megaterium (MerB2) et introduit un variant D99S à la protéine MerB du type sauvage d’E. coli (MerB D99S). Nous avons pu constater que la forme purifiée de MerB D99S se caractérisait par une couleur rose après avoir visualisé sa structure cristalline aux rayons X, révélant la présence d'un métal lié au niveau de son site actif. Les analyses par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et par fluorescence des rayons X indiquèrent que MerB D99S se liait au cuivre au niveau du site actif. En outre, les analyses par résonance paramagnétique électronique (EPR) et des études de RMN ont identifié la forme CuII du cuivre. L'addition de substrats organomercuriels a pu déplacer le CuII entrainant ainsi une diminution de l’activité catalytique de MerB D99S. En revanche, MerB2 n'a pu être co-purifié avec le cuivre, bien que la structure aux rayons X du complexe MerB2-Hg soit pratiquement identique à la structure du complexe MerB D99S-Hg. Ceci suggère que le résidu Asp99 est essentiel au clivage des liaisons carbone-Hg de composés organiques du mercure et dirige la spécificité de la liaison au métal. De plus, la liaison cuivre-MerB D99S propose un lien possible entre l'évolution de MerB et son homologue structural, la protéine NosL. Dans la seconde approche, nous nous sommes intéressés au site actif de MerB en testant sa liaison à des composés organostanniques et à des composés organoplombiques avec un inhibiteur de MerB connu sous le nom de triéthylétain (TET) qui se lie au résidu Asp99 sans s’associer aux cystéines du site actif. Une liaison similaire a été observée avec un autre inhibiteur à savoir le triméthylplomb (TML). Quant au diméthylétain (DMT), il inhibe MerB à l'aide d'un mécanisme alternatif en se liant d'abord à Asp99 puis à Cys96 conduisant à un changement critique dans le site actif perturbant ainsi l’interaction π-cation entre Trp95 et Arg155. D’autres inhibiteurs comme le diéthylétain (DET) et le diéthylplomb (DEL) ont été caractérisés comme étant un substrat de MerB où les deux groupes éthyle ont été clivés pour donner les produits ioniques SnIV PbIV qui se lient au site actif de manière similaire à HgII. DMT, DET et DEL présentent une affinité pour la liaison à MerB supérieure à celle de son substrat initial MeHg. Ces résultats suggèrent que les composés organomercuriels ne sont pas les seuls substrats pour MerB et Asp99 est le premier résidu à se lier aux composés organométalliques suivis de la liaison à Cys96 et Cys159. Ces observations suggèrent un agrandissement de l’éventail d'applications possibles pour MerB dans la bioremédiation de certains sites contaminés par des composés organométalliques tels les organoplombiques et organostanniques. Mot-clé: Organomercuriallyase, Merb, organoplombiques. Organostanniques, protéine de liaison cuivre, carbone liaison métallique clivage, méthylmercure, Organomercuriels, biorestauration, résonance magnétique nucléaire, la cristallographie aux rayons X. / Mercury is introduced into the environment from either natural occurrences (volcanoes) or from human activities (combustion of fossil fuels). Mercury exists as elemental mercury (Hg0), ionic mercury (HgII) or organic mercury like methylmercury (MeHg) and these forms are in constant flux with each other as part of the natural biogeochemical cycle. Organomercurial compounds like MeHg are the most toxic form because of their hydrophobicity and their ability to efficiently permeate membranes and bioaccumulate in organisms. High levels of MeHg have been found in fish in many areas around the world, and therefore human consumption of contaminated seafood represents a serious danger for human health. Bacteria isolated from mercury-contaminated environments have evolved a system that allows them to efficiently convert both ionic and organic mercury compounds to the less toxic elemental mercury. The mercury resistance is due to the acquisition of a transferable genetic element known as the mer operon. The mer operon encodes for several proteins including two enzymes, the organomercurial lyase MerB and the mercuric ion reductase MerA. MerB catalyzes the protonolysis of the carbon-mercury bond of organomercurial compounds to produce a reduced-carbon compound and inorganic ionic mercury HgII. MerA catalyzes the reduction of HgII to elemental mercury Hg0, which is volatile and less toxic. Due to their ability to cleave MeHg and reduce the resulting HgII product, MerB and MerA are considered crucial to bioremediation efforts to clean up MeHg from contaminated waterways. A clear understanding of the mechanistic details of how MerB and MerA function together at the atomic level is crucial for appropriate utilization of the mer system in bioremediation efforts. We have been using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray crystallography to structurally and mechanistically characterize E. coli MerB. Based on previous structural studies of E. coli MerB, three residues (Cys96, Asp99 and Cys159) have been identified as a catalytic triad which is required for carbon-Hg bond cleavage. As a follow up to the earlier studies, my project involves using X-ray crystallography to define the roles of Cys96, Asp99 and Cys159 in substrate binding and cleavage. Two different approaches were implemented to fulfill this goal. Firstly, MerB mutants were tested to define the role for the catalytic residues. Secondly, MerB inhibitors and other potential non-organomercurial substrates were used to probe MerB active site. The Cys,-Asp-Cys catalytic triad found in E.coli MerB is conserved in all MerB variants except four variants where aspartic acid is replaced by a serine. To understand the role of Asp99, we compared a serine-containing MerB variant (Bacillus megaterium MerB2) and an E. coli MerB mutant (MerB D99S) to wild type E. coli MerB. Interestingly, the purified MerB D99S protein was found to contain a pink color. X-ray crystal structure indicated the presence of a bound metal in the active site of MerB D99S. Analysis by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and X-ray fluorescence indicated that MerB D99S binds copper in the active site. Further, electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR studies identified the copper as CuII. Addition of organomercurial substrate displaces bound CuII but MerB D99S shows diminished catalytic activity. In contrast, MerB2 did not co-purify with copper although the X-ray structure of MerB2-Hg complex is virtually identical to the structure of the MerB D99S-Hg. This suggests that the aspartic acid residue is crucial for the cleavage of carbon-Hg bonds of organomercurials as well as metal-binding specificity. Furthermore, the binding of copper to the MerB D99S protein suggests a possible evolutionary link between MerB and its structural homolog, the copper-binding protein NosL. In the second approach, we probed the active site of MerB through testing its binding to organotin and organolead compounds. The known MerB inhibitor triethyltin (TET) binds to Asp99 without binding to any of the active site cysteines. A similar binding has been observed with trimethylead (TML). Dimethyltin (DMT) inhibits MerB using an alternative mechanism. It first binds to Asp99 then Cys96, which induces a dramatic change in the active site by disrupting a cation-π interaction between Try95 and Arg155. In contrast, diethyltin (DET) and diethylead (DEL) were found to be substrates for MerB, where both ethyl groups were cleaved and the SnIV and PbIV products bound to the active site in a similar manner to HgII. DMT, DET and DEL show higher binding affinity to MerB than its initial substrate MeHg. These results suggest that organomercurials may not be the only substrates for MerB and Asp99 is the first residue to bind to organometals followed by subsequent binding to Cys96 and Cys159. In addition, these observations suggest that there are other possible applications for employing MerB in bioremediation of organolead and organotin contaminated sites while other organometals may have implications when using MerB in bioremediation systems. Keyword: Organomercuriallyase, MerB, Organolead. Organotin, Copper binding protein, Carbon metal bond cleavage, Methylmercury, Organomercuriels, Bioremédiation, Nuclear magnetic resonance, X ray crystallography.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Après traitement d’un AIC par thrombolyse, les lésions ischémiques en diffusion peuvent être réversibles, stables et/ou progresser. Cette thèse a pour objectif d’étudier en IRM ces phénomènes de réversibilité et de progression, de mieux comprendre leur physiopathologie, et d’appréhender le rôle pronostic du volume des lésions en diffusion. La réversibilité en diffusion a été rapportée après recanalisation artérielle, chez l’animal et chez l’homme. Dans notre cohorte de 155 patients, nous avons étudié ce phénomène par une analyse voxel à voxel sur des IRM avant et 24h après thrombolyse. Nous avons montré que la réversibilité des anomalies en diffusion à 24h était fréquente et surtout persistait sur une IRM plus tardive (médiane 54h) pour plus de 70% des voxels [58.0-85.9], suggérant que ce phénomène n’était pas transitoire. De plus, seule la réversibilité permanente était associée à une amélioration neurologique à 24h (OR=1.15, CI95%[ 1.03-1.27], P=0.008 par mL). La substance blanche a été décrite comme plus résistante à l’ischémie sur des modèles murins. Chez l’homme, nous avons confirmé la prédominance en substance blanche des phénomènes de réversibilité, avec une probabilité de régression plus importante pour un voxel de substance blanche que pour un voxel de substance grise. Ces résultats pourraient aider à identifier avant décision thérapeutique les lésions potentiellement réversibles, c'est-à-dire celles prédominant en substance blanche. Même s’il existe une association entre le volume de lésion en diffusion avant traitement et le pronostic fonctionnel à 3 mois, la réversibilité des lésions pourrait remettre en cause les seuils de volume au-delà desquels une revascularisation pourrait être futile. En effet, en limitant la progression des anomalies en diffusion et en favorisant leur régression, la revascularisation pourrait aussi avoir un impact sur le pronostic fonctionnel des patients avec un large volume lésionnel (≥70mL). Dans une population de 267 patients avec un infarctus de l’artère cérébrale moyenne traités par thrombolyse, 54 avaient un volume en diffusion ≥70mL, dont 12(22%) avaient un pronostic fonctionnel favorable à 3 mois. L’odds-ratio de la recanalisation pour le pronostic fonctionnel favorable dans le groupe ≥70mL était de 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 en faveur d’un impact positif de la recanalisation même dans ce groupe. En l’absence de reperfusion, les anomalies en diffusion progressent au sein de la pénombre ischémique. Selon le modèle « core/pénombre », cette progression lésionnelle ne doit pas s’accompagner d’une aggravation neurologique. Nous avons formulé l’hypothèse que si elle survenait au-delà de la pénombre (dans des zones asymptomatiques), elle s’accompagnerait d’une détérioration neurologique. La détérioration neurologique précoce non expliquée (absence de transformation hémorragique, d’œdème malin ou d’autre cause identifiable) est observée chez 7% de nos 309 patients thrombolysés. Nous avons validé l’hypothèse initiale d’une progression des anomalies en diffusion au-delà de la pénombre chez ces patients. Par une analyse voxel à voxel, elle était présente chez 9 cas/10 (7-137mL; > 10mL chez 8 cas), et son volume était significativement supérieur à celui des 30 contrôles sans détérioration précoce (P=0.047). De plus, sa topographie était congruente avec les fonctions neurologiques qui s’étaient détériorées. L’ensemble de ces résultats participe à une meilleure compréhension de l’évolution des lésions ischémiques aiguës en IRM de diffusion et offre des perspectives pour adapter la prise en charge individuelle afin d’améliorer le pronostic fonctionnel. / Within the first 24 hours after IV-rtPA, diffusion-weighted ischemic lesions can reverse, remain stable or grow. The aim of this thesis is to study these reversal and growth phenomena, to better understand their pathophysiology and to gain insight into the prognostic value of diffusion lesion volume. Diffusion lesion reversal was reported in animals and humans after arterial recanalization. In our sample of 155 patients, we studied this phenomenon with MRI performed before and 24 hours after thrombolysis using a voxel-based approach. First, we demonstrated that 24 hours diffusion reversal was frequent and sustained on a late MRI (median 54h) for over two-thirds of the voxels. Second, sustained reversal was associated with 24hr neurological improvement (OR=1.15, IC95%[ 1.03-1.27], P=0.008 per 1mL). Animal studies have suggested that white matter is more resistant to ischemia than gray matter. In humans, we confirmed that diffusion lesion reversal was more frequent in white matter than in gray matter and disclosed that white matter voxels were more prone to reverse than gray matter voxels. The amount of white matter in the initial diffusion lesion may therefore be a significant determinant of reversibility. Large diffusion lesion volume is associated with poor outcome. However, revascularization therapy can prevent infarct growth or even promote lesion reversal. It is still unclear whether these treatments are beneficial in patients with large diffusion volumes (≥70mL). In our series including 267 patients with middle cerebral artery stroke treated with thrombolysis, 54 patients had a ≥70mL diffusion volume, of which 12(22%) had a 3 month favorable outcome. Odds-ratio of recanalization for favorable outcome in the ≥70mL group was 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 supporting a benefit of recanalization in this subgroup. Diffusion lesions growth is usually located within the ischemic penumbra. We hypothesized that if it occurred beyond its boundaries, it would translate into neurological deterioration. Unexplained early neurological deterioration is frequent (70% of early neurological deteriorations, 7% in our series of 309 thrombolysed patients) and its causes are not well-known (no symptomatic intra cerebral hemorrhage, malignant edema or post-stroke seizure). We confirmed our hypothesis in these patients with diffusion growth beyond the penumbra. This growth occurred in 9 of the 10 studied patients (7-137mL; > 10mL in 8 patients) and it was significantly larger than in the 30 controls with early neurological deterioration (P=0.047). Moreover its topography matched the neurological items that deteriorated. All together, these results contribute to a better understanding of acute ischemic lesions using diffusion-weighted imaging and may offer perspectives to adapt individual patient care.

La perception est décrite comme l’ensemble des processus permettant au cerveau de recueillir et de traiter l’information sensorielle. Un traitement perceptif atypique se retrouve souvent associé au phénotype autistique habituellement décrit en termes de déficits des habilités sociales et de communication ainsi que par des comportements stéréotypés et intérêts restreints. Les particularités perceptives des autistes se manifestent à différents niveaux de traitement de l’information; les autistes obtiennent des performances supérieures à celles des non autistes pour discriminer des stimuli simples, comme des sons purs, ou encore pour des tâches de plus haut niveau comme la détection de formes enchevêtrées dans une figure complexe. Spécifiquement pour le traitement perceptif de bas niveau, on rapporte une dissociation de performance en vision. En effet, les autistes obtiennent des performances supérieures pour discriminer les stimuli définis par la luminance et inférieures pour les stimuli définis par la texture en comparaison à des non autistes. Ce pattern dichotomique a mené à l’élaboration d’une hypothèse suggérant que l’étendue (ou complexité) du réseau de régions corticales impliquées dans le traitement des stimuli pourrait sous-tendre ces différences comportementales. En effet, les autistes obtiennent des performances supérieures pour traiter les stimuli visuels entièrement décodés au niveau d’une seule région corticale (simples) et inférieures pour les stimuli dont l’analyse requiert l’implication de plusieurs régions corticales (complexes). Un traitement perceptif atypique représente une caractéristique générale associée au phénotype autistique, avec de particularités rapportées tant dans la modalité visuelle qu’auditive. Étant donné les parallèles entre ces deux modalités sensorielles, cette thèse vise à vérifier si l’hypothèse proposée pour expliquer certaines particularités du traitement de l’information visuelle peut possiblement aussi caractériser le traitement de l’information auditive dans l’autisme. Le premier article (Chapitre 2) expose le niveau de performance des autistes, parfois supérieur, parfois inférieur à celui des non autistes lors du traitement de l’information auditive et suggère que la complexité du matériel auditif à traiter pourrait être en lien avec certaines des différences observées. Le deuxième article (Chapitre 3) présente une méta-analyse quantitative investiguant la représentation au niveau cortical de la complexité acoustique chez les non autistes. Ce travail confirme l’organisation fonctionnelle hiérarchique du cortex auditif et permet d’identifier, comme en vision, des stimuli auditifs pouvant être définis comme simples et complexes selon l’étendue du réseau de régions corticales requises pour les traiter. Le troisième article (Chapitre 4) vérifie l’extension des prédictions de l’hypothèse proposée en vision au traitement de l’information auditive. Spécifiquement, ce projet compare les activations cérébrales sous-tendant le traitement des sons simples et complexes chez des autistes et des non autistes. Tel qu’attendu, les autistes montrent un patron d’activité atypique en réponse aux stimuli complexes, c’est-à-dire ceux dont le traitement nécessitent l’implication de plusieurs régions corticales. En bref, l’ensemble des résultats suggèrent que les prédictions de l’hypothèse formulée en vision peuvent aussi s’appliquer en audition et possiblement expliquer certaines particularités du traitement de l’information auditive dans l’autisme. Ce travail met en lumière des différences fondamentales du traitement perceptif contribuant à une meilleure compréhension des mécanismes d’acquisition de l’information dans cette population. / Perception involves the processes allowing the brain to extract and understand sensory information. Atypical perceptual processing has been associated with the autistic phenotype usually described in terms of impairments in social and communication abilities, as well as restricted interests and repetitive behaviours. Perceptual atypicalities are reported across a range of tasks. For instance, superior performance in autistics compared to non autistics is observed for pure tone discrimination as well as for complex figure disembodying tasks. One particular study reported atypical low-level visual processing in autism. In this experiment, autistics displayed enhanced performance for identifying the orientation of luminance-defined gratings and inferior performance for texture-defined gratings in comparison to non autistics. This dichotomous pattern led to the formulation of a hypothesis suggesting an inverse relation between the level of performance and the extent (or complexity) of the cortical network required for processing the stimuli. Specifically, autistics would perform better than non autistics during processing visual stimuli involving one cortical region (luminance-defined or simple stimuli), while they would show decreased performance for processing stimuli involving a network of cortical region (texture-defined or complex stimuli). Atypical perceptual processing is described as a general feature associated with the autistic phenotype and is reported for both the visual and the auditory modalities. Considering the existing parallels between the two sensory modalities, the principal purpose of the presented doctoral dissertation it to verify whether the hypothesis proposed to explain atypical visual processing in autism could also apply to audition. The first article (Chapter 2) is an exhaustive literature review of studies on autistics’ auditory processing abilities. Taken together, the results suggest that the level of performance of autistics on auditory tasks could be related to the acoustic complexity of the stimuli. The second article (Chapter 3) uses quantitative meta-analysis to investigate how auditory complexity is represented at the cortical level in non autistics. This study confirms the hierarchical functional organization of the auditory cortex and allows defining simple and complex auditory stimuli based on the extent of the cortical network involved in their processing, as it was done in vision. The third article (Chapter 4) verifies if the predictions of the hypothesis proposed in vision could also apply in audition. Specifically, this study examines the cortical auditory response to simple and complex sounds in autistics and non autistics. As expected, autistics display atypical cortical activity in response to complex auditory material that is stimuli involving a network of multiple cortical regions to be processed. In sum, the studies in this dissertation indicate that the predictions of the hypothesis proposed in vision could extend to audition and possibly explain some of the atypical behaviours related to auditory processing in autism. This thesis demonstrates fundamentally different auditory cortical processing in autistics that could help define a general model of perceptual differences in autism which could represent a key factor in the understanding of information acquisition.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La présente étude avait pour but d’explorer les modulations fonctionnelles putaminales du signal de spectroscopie par résonance magnétique (SRM) combiné du glutamate et de la glutamine (Glx), ainsi que de l’acide γ-aminobutyrique (GABA) en lien avec l’apprentissage d’une séquence motrice. Nous avons émis l’hypothèse que les concentrations de Glx seraient spécifiquement augmentées pendant et après la pratique d’une telle tâche, et ce comparativement à une condition d’exécution motrice simple conçue pour minimiser l’apprentissage. La tâche d’appuis séquentiels des doigts (« finger taping task ») utilisée est connue pour induire un apprentissage moteur évoluant en phases, avec une progression initialement rapide lors de la première session d’entraînement (phase rapide), puis lente lors de sessions subséquentes (phase lente). Cet apprentissage est également conçu comme dépendant de processus « on-line » (pendant la pratique) d’acquisition et « off-line » (entre les périodes de pratique) de consolidation de la trace mnésique de l’habilité motrice. Une grande quantité de données impliquent le système de neurotransmission glutamatergique, principalement par l’action de ses récepteurs N-Méthyl-D-aspartate (NMDAR) et métabotropiques (mGluR), dans une multitude de domaine de la mémoire. Quelques-unes de ces études suggèrent que cette relation s’applique aussi à des mémoires de type motrice ou dépendante du striatum. De plus, certains travaux chez l’animal montrent qu’une hausse des concentrations de glutamate et de glutamine peut être associée à l’acquisition et/ou consolidation d’une trace mnésique. Nos mesures de SRM à 3.0 Tesla, dont la qualité ne s’est avérée satisfaisante que pour le Glx, démontrent qu’une telle modulation des concentrations de Glx est effectivement détectable dans le putamen après la performance d’une tâche motrice. Elles ne nous permettent toutefois pas de dissocier cet effet putativement attribuable à la plasticité du putamen associée à l’apprentissage moteur de séquence, de celui de la simple activation neuronale causée par l’exécution motrice. L’interprétation de l’interaction non significative, montrant une plus grande modulation par la tâche motrice simple, mène cependant à l’hypothèse alternative que la plasticité glutamatergique détectée est potentiellement plus spécifique à la phase lente de l’apprentissage, suggérant qu’une seconde expérience ainsi orientée et utilisant une méthode de SRM plus sensible au Glx aurait donc de meilleures chances d’offrir des résultats concluants. / The present study explored motor learning-related functional changes in putaminal combined glutamate and glutamine (Glx) and γ-Aminobutyric acid (GABA) magnetic resonance spectroscopy (MRS) signal. It was hypothesized that Glx concentrations would specifically increase during and after learning of a sequential finger tapping task (sFTT), as compared to execution of a simple motor task designed to elicit minimal learning. Learning of sFTT is known to evolve in an initial fast progressing stage during the first practice session (fast learning stage), followed by a slower progression during later sessions (slow learning stage). It is also thought to depend on both on-line (during practice sessions) acquisition and off-line (between practice sessions) consolidation processes to create, transform and assure retention of a motor skill memory trace. A body of data implicates glutamatergic neurotransmission, especially through its N-Methyl-D-aspartate (NMDAR) and metabotropic (mGluR) receptors, in many memory systems, some of which apply to motor learning and striatal-dependant learning. Moreover, some animal studies suggest that Glx concentrations can be upregulated in relation to memory acquisition and/or consolidation. Our MRS acquisitions, of which the quality happened to be sufficient only for Glx quantification, allowed the detection of an augmentation in putaminal Glx occurring after motor task execution. However, our data could not ascribe this modulation specifically to motor learning related plastic changes, at the exclusion of simple neural activation related to motor execution. Nevertheless, the interpretation of the non-significant interaction, showing a larger Glx change in response to the simple motor task compared to sFTT, leads to the possibility that the detected glutamatergic plasticity may be specifically associated to the slow learning phase. We therefore suggest that testing this alternate hypothesis in a second experiment, using an MRS technique with more sensibility to Glx could yield more convincing results.

Le CD36 est un récepteur de type éboueur de classe B exprimé à la surface de nombreux types cellulaires dont les macrophages, les cellules endothéliales de la microvasculature et les plaquettes. Ce récepteur multiligand est impliqué dans plusieurs processus pathologiques notamment l’athérosclérose, l’angiogénèse et la malaria via la liaison spécifique de ligands comme les lipoprotéines oxydées de basse densité, la thrombospondine-1 et la protéine PfEMP-1, respectivement. Les peptides de la relâche de l’hormone de croissance (GHRP) ont été identifiés comme les premiers ligands synthétiques du CD36. Afin de développer de nouveaux ligands synthétiques du CD36, l’établissement d’une méthode de criblage est essentiel pour découvrir des composés avec une liaison de haute affinité pour ce récepteur. Pour y parvenir, nous avons surexprimé le domaine extracellulaire du CD36 humain dans les cellules d’insectes Sf9. La protéine soluble purifiée par chromatographie d’affinité fut immobilisée à la surface d’une plaque de résonance de plasmons de surface (SPR) pour les études de liaison. La méthodologie développée a permis de caractériser les ligands du CD36 en déterminant leurs constantes de dissociation (KD), et d’établir une relation structure-activité des ligands de la famille des azapeptides, des composés dérivés du GHRP-6. Afin de valider la méthode par spectroscopie SPR, une corrélation a été établie entre les valeurs de KD obtenues en SPR et les valeurs d’CI50 de courbes d’inhibition de la phosphorylation des MAP kinases JNK1/2 induite par un phospholipide oxydé, le POVPC, en présence de concentrations croissantes de ligands du CD36 dans les macrophages RAW 264.7. / CD36 is a class B scavenger receptor expressed at the cell surface of macrophages, endothelial cells and platelets, among others. This multiligand receptor is implicated in various diseases such as atherosclerosis, angiogenesis and malaria through the specific binding of ligands, such as oxidized low-density lipoproteins, thrombospondin-1 and the PfEMP-1 protein, respectively. Growth hormone-releasing peptides (GHRP) were identified as the first CD36 synthetic ligands. In order to identify new CD36 synthetic ligands, the development of a high-throughput method is essential to unveil compounds of high binding affinity. We have expressed a recombinant CD36 ectodomain protein in Sf9 insect cells. The soluble and affinity purified protein was immobilized on a surface plasmon resonance (SPR) sensor for binding studies. Synthetic ligands were analyzed by SPR spectroscopy for determination of their respective dissociation constant (KD). A structure-activity relationship of CD36 ligands was established. To validate the SPR binding signal, a good correlation was observed between KD and the IC50 values obtained from the inhibition curves of the MAPK kinase JNK1/2 phosphorylation induced by an oxidized phospholipid, the POVPC, in the presence of increasing concentrations of CD36 ligands in RAW 264.7 macrophage cells.