Avec l'augmentation préoccupante des cas d'obésité à l'échelle mondial depuis les dernières décennies, la communauté scientifique s'intéresse de plus en plus aux facteurs responsables de cette hausse alarmante et aux différents mécanismes impliqués dans la régulation du bilan d'énergie. Cette régulation dépend de deux composantes principales, la prise alimentaire et la dépense d'énergie, contrôlées par différentes voies périphériques et neuronales, parmi lesquelles les circuits neuronaux hypothalamiques ont été les plus étudiés. Ces circuits forment des systèmes bien définis, qui incluent le système à mélanocortine, qui essentiellement comprend les neurones à proopiomélanocortine (POMC) du noyau arqué (ARC), les neurones adjacents à ces derniers qui produisent le Agouti-related peptide et les neurones arborant les récepteurs des mélanocortines 4 (MC4R) qui se retrouvent dans diverses régions du cerveau. La stimulation du système à mélanocortine diminue la prise alimentaire et augmente la dépense énergétique. L'activité du système à mélanocortine est modulée de plusieurs façons et par différentes molécules, incluant l'Acyl-CoA Binding Domain 7 (ACBD7). Cette protéine produit deux fragments peptidiques, nommément le nonadecaneuropeptide (NDN) et le new endozepine member 18 (NEM18). L'implication de NDN a été récemment démontrée dans le contrôle de la prise alimentaire et de la dépense énergétique chez la souris. De plus, on a pu démontrer que les effets du peptide disparaissaient en présence d'un antagoniste du MC4R. Le projet de recherche sous-jacent à ce mémoire visait à (i) confirmer l'implication d'ACBD7 dans le contrôle de la balance énergétique chez le rat, (ii) étudier les effets d'ACBD7 sur l'aversion gustative conditionnée et (iii) comparer l'expression cérébrale des ARNm ACBD7 et DBI, les sites d'action neuronaux de ces protéines ainsi que leurs effets cataboliques. Contrairement à ce qui a été observé chez la souris, NDN n'altère pas les composantes énergétiques chez le rat. Les résultats obtenus suggèrent plutôt l'implication de NEM18 dans le contrôle de la prise alimentaire et de la dépense énergétique. On observe d'abord une augmentation de la prise alimentaire lors de l'injection intracérébroventriculaire de 0,125 et 0,250 µg de NEM18. Les variables énergétiques, telles que la consommation d'oxygène ainsi que la dépense énergétique en kcal, se trouvent également modulées par la présence de NEM18 chez le rat. / With the worrying increase in obesity cases worldwide over the last decades, the scientific community has increasingly been interested in the various mechanisms involvedin the regulation of energy balance. The energy balance regulation is based on two main components, namely food intake and energy expenditure, insured by various peripheral and neural circuits. The hypothalamus plays a major role in energy balance regulation. It hosts the proopiomelanocortin (POMC) and agouti-related peptide (AgRP) neurons, which are found in the arcuate nucleus, and which form, together with the melanocortin 4 receptor (MC4R), the melanocortin system. The melanocortin system when activated reduces foodintake and stimulates energy expenditure. Its role in energy balance regulation is prominentand its activity is modulated by various molecules including the Acyl-CoA Binding Domain 7 (ACBD7) protein which can generate two peptide fragments, namely, nonadecaneuropeptide (NDN) and the new endozepine member 18 (NEM18). The involvement of NDN has been shown to reduce food intake and stimulate energy expenditure in mice, effect that can be blocked by a MC4R antagonist. This study constituting the core of this mémoire aimed to (i) confirm the involvement of ACBD7 in the control of energy balance in rats, (ii) study the effects of ACBD7 on conditioned taste aversion and (iii) compare the cerebral expression, the neural action sites and the catabolic effects caused by ACBD7 and DBI. In contrasts with what has been observed in mice, NDN does not influence energy balance in rats. Results obtained suggest the involvement of NEM18 in the control of food intake and energy expenditure. We observed an increase infood intake following the intracerebroventricular injection of 0,125 and 0,250 µg of NEM18. Energetic parameters, as oxygen consumption and energy expenditure in kcal, were also modulated by NEM18 in rats.

Les Polluants Organiques Persistants (POPs) sont des contaminants environnementaux composés des produits chimiques, mobiles, persistants, bioaccumulables, et toxiques. Les avancées dans la recherche au cours de ces dernières décennies ont montré que ces polluants présentent un grand risque de potentiel de toxicité, notamment chez les ours polaires où ils sont responsables d’une faible densité osseuse minérale du bacculum, chez les poissons des malformations de la colonne vertébrale, et un amincissement de la coquille d’oeuf chez les oiseaux. Le rapport entre les os et la coquille de l’oeuf est qu’ils ont le calcium comme composé principal, et sa concentration dans l’organisme est régulée par deux hormones endocriniennes telles que la parathormone et la calcitonine pouvant subir des perturbations endocriniennes. La densité minérale (calcium) de l’os ou la quantité du calcium dans l’oeuf détermine leurs résistances. En vue de comprendre, l’impact des POPs sur développement foetal du système squelettique chez les mammifères, cette étude a été conduite en émettant l’hypothèse qu’une exposition in utero à une mixture de POPs mimant les contaminants retrouvés dans la chaîne alimentaire en Arctique, induirait des malformations osseuses chez les foetus de rat, lesquelles seraient transmises aux générations suivantes via les pères. Une supplémentation en acide folique (AF) a également été investiguée pour contrecarrer les effets potentiels des POPs, car l’AF était supplémentée chez les femmes enceinte pour remédier à la malformation du tube neural. À cet effet, quatre groupes de rates Sprague-Dawley (F0) ont été gavées avec un mélange de POPs ou d’huile de maïs (contrôle). Elles ont été soumises à un régime alimentaire contenant soit une dose physiologique d’AF ou une dose supplémentée en AF. Les femelles ont été accouplées à des mâles non traités pour créer la génération F1. Les mâles F1 ont à leur tour été accouplés avec des femelles non traitées pour produire la génération F2 et ainsi de suite jusqu’à la génération F4. À chaque génération, les femelles ont été sacrifiées à 19,5 jours de gestation. Les foetus ont été prélevés et leurs squelettes ont été colorés pour observer le degré d’ossification et la longueur des os longs. Les résultats ont montré que dans les générations F1 et F2, ces POPs ont provoqué des retards d’ossification et une diminution de la longueur des os longs (p ≤ 0,05). Cet effet était absent dans la génération F3, mais la longueur des os était augmentée en F4 dans les lignées exposées à des POPs (p ≤ 0,05). Cependant, la supplémentation en AF utilisée n’a pas pallié les effets suivant une exposition à des POPs. Toutefois, l’impact de l’AF pour contrecarrer l’effet potentiel de ces polluants chez le foetus devrait être investigué davantage puisqu’elle n’a pas porté ses fruits chez le modèle de rat. En conclusion, une exposition des mâles in utero aux POPs a impacté l’ossification de la F1 jusqu’à la F4. / Persistent Organic Pollutants (POPs) are environmental contaminants composed of chemicals that are mobile, persistent, bioaccumulative, and toxic. Advances in research in recent decades have shown that these pollutants present a high risk of toxic potential, particularly in polar bears where they are responsible for low bacculum mineral bone density, in fish for spinal deformities, and eggshell thinning in birds. The relationship between bones and eggshells is that they have calcium as the main compound, and its concentration in the body is regulated by two endocrine hormones such as parathormone and calcitonin which can undergo endocrine disruption. The mineral density (calcium) of the bone or the amount of calcium in the egg determines their resistance. In order to understand the impact of POPs on fetal development of the skeletal system in mammals,this study was conducted under the hypothesis that in utero exposure to a mixture of POPs mimicking contaminants found in the Arctic food chain would induce bone malformations in rat fetuses, which would be transmitted to subsequent generations via the fathers. Folic acid (FA) supplementation has also been investigated to counteract the potential effects of POPs, as FA was supplemented in pregnant women to correct neural tube defects. For this purpose, four groups of Sprague-Dawley (F0) rats were gavaged with a mixture of POPs or corn oil (control). They were fed a diet containing either a physiological dose of AF or a dose supplemented with AF. Females were mated to untreated males to create the F1 generation. The F1 males were in turn mated with untreated females to produce the F2 generation and so on until the F4 generation. In each generation, females were sacrificed at 19.5 days gestation. Fetuses were collected and their skeletons were stained to observe the degree of ossification and the length of long bones. Results showed that in the F1 and F2 generations, these POPs caused delayed ossification and a decrease in long bone length (p ≤ 0.05). This effect was absent in generation F3, but bone length was increased in F4 in lines exposed to POPs (p ≤ 0.05). However, the AF supplementation used did not alleviate the effects following exposure to POPs. However, the impact of FA to counteract the potential effect of these pollutants in the fetus should be further investigated since it was not successful in the rat model. In conclusion, exposure of males in utero to POPs impacted ossification from F1 to F4.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 191-236. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Compte tenu de la faible disponibilité de l’oxygène (hypoxie) en haute altitude, l’adaptation à ce milieu constitue un vrai défi pour les espèces adaptées au niveau de la mer. Aussi, le rat et la souris constituent un modèle pertinent pour la compréhension des facteurs qui contribuent à une bonne adaptation en haute altitude. En effet, les rats et les souris de laboratoire élevées à haute altitude durant plusieurs générations possèdent un phénotype différent: les souris présentent une plus importante ventilation, des valeurs d’hématocrite/ hémoglobine diminuées et une hypertension pulmonaire réduite. Ces différences indiquent une mauvaise adaptation des rats qui montrent également une importante mortalité en haute altitude. Néanmoins, les mécanismes impliqués dans cette différence entre ces deux espèces ne sont pas connus. Nous avons donc recherché dans un premier temps si les différences observées entre rats et souris sont également présentent au niveau de la mer, puis dans un second temps si cela avait un lien avec l'expression du senseur moléculaire d'oxygène HIF (Hypoxia Inducible Factor). Nous avons mené une étude au niveau de la mer (Québec, Canada - 98m) pour comparer les réponses ventilatoire et moléculaire entre les rats et les souris. Pour se faire, les animaux sont exposés pendant 6 heures à différents gradients d’oxygène : 21%, 15%, et 12% O2. La ventilation est mesurée par pléthysmographie à corps entier. La consommation d’oxygène (VO2) et la production de CO2 (VCO2) sont évaluées durant la même période d’exposition. Après 6 heures d’exposition, les animaux sont anesthésiés et le tronc cérébral rapidement prélevé pour effectuer une mesure de l’expression de HIF-1α à l’aide de la technique ELISA (Enzyme LinkImmunosorbent Assay). Comparé aux rats, les souris présentent une élévation du débit ventilatoire, une diminution de la VO2 et de la VCO2 et une augmentation de l’équivalant ventilatoire à l’O2 (Ve/VO2) et au CO2 (Ve/VCO2) durant l’exposition à 15 et 12% d’O2. De plus, l’expression de HIF-1α au niveau du tronc cérébral est plus élevée chez les souris en comparaison à celui des rats. En conclusion, la différence de la réponse ventilatoire à l’hypoxie peut être liée à la différence d’expression de HIF-1α au niveau du tronc cérébral. Ces resultantssuggèrent que les souris possèdent une prédisposition génétique permettant une réponse adaptée en milieu hypoxique et pouvant aisément expliquer la facilité que possède cette espèce à survivre et à établir sa colonie en haute altitude. Mot clés : Hypoxie, haute altitude, réponse ventilatoire à l’hypoxie, tronc cérébral, HIF. / Successful adaptation at high altitude is very challenging for sea level natives due to the low level of available oxygen (hypoxia). Rats and mice offer an interesting model to understand the factors that contribute to efficient adaptation to high altitude. Indeed, laboratory rats and mice that have been raised at high altitude for several generations have a different phenotype with mice showing higher ventilation, lower hematocrit/hemoglobin values, and lower pulmonary hypertension. These differences are clearly a failure of adaptation to high altitude in rats, as underlined by data showing high mortality in the colony of high altitude rats. However the underlying mechanisms behind these differences are poorly understood. We sought to address whether these differences are also apparent in mice and rats living at Sea level, and if they are related to different responses of the O2 molecular sensor HIF (Hypoxia Inducible Factor). To test these hypotheses, we chose to perform the study at sea level i.e. at Quebec City, Canada (98m) to compare the ventilatory and molecular responses in male rats and mice. The animals were exposed to different oxygen gradients 21%O2, 15 % O2 and 12% O2 for 6 hours. Ventilation was measured by whole bodyplethysmography, oxygen consumption (VO2) and CO2 production rate (VCO2) were also measured during the exposure. After the 6 hour’s exposure, the animals were anesthetised, and the brainstem quickly dissected, Brainstem HIF-1α expression was measured by Enzyme Link Immunosorbent Assay (ELISA). Compared to rats, mice had higher minute ventilation, lower VO2, VCO2, and higher ventilatory equivalent to oxygen and carbon dioxide, (Ve/VO2, Ve/VCO2) at 15% and 12% O2. In addition, mice also had higher brainstem HIF-1α expression compared to rats. We conclude that the differences in ventilatory responses to hypoxia at sea level might be due to differences in expression of HIF-1α in the brainstem. This suggests that mice have a genetic pre-disposition that ensure adequate response to hypoxia. This trait helps to explain that mice are able to survive and successfully establish natural colonies at high altitude. Key Words: Hypoxia, high altitude, hypoxic ventilatory response, Brainstem, HIF.

Les hormones thyroïdiennes sont essentielles au bon développement du système nerveux central. Ce dernier est très vulnérable à toute déficience en hormones thyroïdiennes, spécialement à la période périnatale précoce où il dépend entièrement du transfert de la part de la mère. Toute réduction du taux d’hormones thyroïdiennes chez la mère ou le retrait précoces du foetus par la naissance prématurée peut avoir d’importants effets néfastes sur la formation du cerveau de la progéniture à court et long terme. Malgré l’état actuel des connaissances concernant l’effet de la carence en hormones thyroïdiennes sur le développement et la fonction du système nerveux central, leur influence sur les circuits nerveux qui régulent le système cardio-respiratoire reste méconnue. Nous proposons que les hormones thyroïdiennes au cours de la période périnatale du rat soient nécessaires au bon développement du réseau neuronal responsable du contrôle cardio-respiratoire. Afin de tester cette hypothèse, nous avons reproduit un modèle d’hypothyroïdisme expérimental par l’exposition de la femelle sur l’entièreté de la gestation à l’agent anti-thyroïdien méthimazole (MMI). L’évaluation des effets sur la commande respiratoire centrale, la ventilation, la réponse à l’hypoxie et l’inhibition cardio-respiratoire par stimulation du chémoréflexe laryngé a été divisée sur différentes tranches d’âge (jours postnataux : P1-P4-P15). Le traitement de MMI réduit le rythme respiratoire produit centralement dans les premiers jours de vie. Un effet âge dépendant du traitement est présent sur la ventilation de l’animal entier et sa réponse à l’hypoxie. L’inhibition cardio-respiratoire est augmentée chez les animaux déficients en hormones thyroïdiennes lors de la stimulation du chémoréflexe laryngé. L’activation importante du système GABAergique est au coeur des conséquences observées. Enfin, nous proposons que les cellules de type «microglie» pourraient moduler le développement du réseau neuronal de contrôle respiratoire en réponse aux hormones thyroïdiennes. En culture cellulaire, ses fonctions sont augmentées par l’exposition à l’hormone T3 et l’effet dépend du micro-environnement. Nous concluons que les hormones thyroïdiennes sont nécessaires pour la mise en place du système nerveux de contrôle respiratoire et autonome. / Thyroid hormones are essential for the normal development of the central nervous system. The latter presents a high vulnerability to any thyroid hormones deficiency, especially in the early stages of perinatal development, when the mother is the only source for the foetus. At that time, any maternal hypothyroidism or premature birth can alter thyroid hormones supply and compromise brain functions on short and long term. Despite the current state of knowledge concerning the effect of thyroid hormone deficiency on the development and function of the central nervous system, their influence on the nervous circuits that regulate the cardiorespiratory system remains unknown. We propose that thyroid hormones during the perinatal period are necessary for the proper development of the neural network responsible for cardiorespiratory control. To test this hypothesis, we reproduced a model of experimental hypothyroidism by exposing the pregnant dams over the entire gestation to the anti-thyroid agent, methimazole (MMI). Effects of the treatment were evaluated on central respiratory command, ventilation, hypoxic response and cardiorespiratory inhibition by laryngeal chemoreflex stimulation, across multiple age groups (P1-P4-P15). MMI treatment reduces the central respiratory rhythm in the first days of life. An age-dependent effect was noted on whole animal ventilation and hypoxic response. Cardiorespiratory inhibition following laryngeal chemoreflex stimulation is increased in thyroid hormones deficient pups. The enhanced GABAergic system activation is a major player in the consequences observed here. Finally, we proposed that microglia could modulate development of the neuronal respiratory control network in response to thyroid hormones. Using cell culture, we demonstrated that their functions are increased by the exposure to T3 and the effect is mediated by the surrounding microenvironment. We conclude that thyroid hormones are necessary for the proper establishment of the respiratory and autonomic nervous control systems.

Il existe chez les différentes espèces de rongeurs une importante variabilité dans les capacités à établir des colonies stables en haute altitude (HA). Par exemple, on trouve des souris (Mus) jusqu'à 4000m alors qu’il n’y a pas de rats (Rattus). La capacité des animaux à survivre et réaliser des activités physiques en HA dépend d’adaptations biologiques physiologiques (plasticité phénotypique) et génétiques ou épigénétiques. Des rats Sprague Dawley (SD) maintenus en HA dans des conditions de laboratoire survivent pendant plusieurs générations (La Paz, Bolivia – 3600m) mais présentent des signes de maladaptations physiologiques (érythrocytose excessive, hypertrophie ventriculaire droite – signe d’hypertension artérielle pulmonaire – et altération des structures alvéolaires avec élargissements des espaces pulmonaires). Ces réponses sont principalement liées à une hypersensibilité au niveau d’oxygène (O2) ambient au cours de la période postnatale et élever les rats de HA à une pression d’O2 reproduisant celle du niveau de la mer (NM) au cours de cette période améliore significativement leur adaptation physiologique1,2. Actuellement, aucune adaptation génétique n’a été mise en évidence chez des souris (Mus musculus) sauvages capturées en HA. Notre hypothèse générale est que les souris possèdent des caractéristiques physiologiques spécifiques qui assurent leur survie en HA. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons réalisé 4 études comparant les réponses physiologiques (ventilation, métabolisme, hématologie, saturation artérielle en O2 et rythme cardiaque) entre des souris FVB et des rats SD élevés au NM (Québec, Canada) ou en HA (La Paz, Bolivie – 3600m). Nos principaux résultats démontrent que, par rapport aux rats, les souris adultes de HA présentent une surface alvéolaire augmentée associée avec une meilleure extraction d’O2 sans augmentation excessive de l’érythrocytose ni hypertrophie ventriculaire. Au NM, en conditions ambiantes, les deux espèces présentent des réponses physiologiques similaires. Par contre, après 6h d’exposition en hypoxie (12% d’O2), par rapport aux rats, les souris augmentent leur ventilation minute et diminuent leur métabolisme. Les souris augmentent également l’expression de l’hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – molécule principale de régulation des réponses cellulaires en hypoxie) dans le tronc cérébral après 6h d’hypoxie (15% d’O2) ; cet effet n’est pas présent chez les rats. Au NM, l’hypoxie postnatale induit une augmentation du volume pulmonaire et de la réponse ventilatoire à l’hypoxie chez les souris mais pas chez les rats. Cependant, chez les jeunes rats de HA, l’architecture pulmonaire est préservée comparée aux rats exposés en hypoxie postnatale au NM. En conclusion, les rats vivant en HA depuis plusieurs générations présentent des stratégies physiologiques pour faire face au manque d’O2 ambient leur permettant de survivre dans des conditions de laboratoire mais qui ne sont pas suffisantes pour assurer leur survie en milieu sauvage. Nos résultats confirment également que les souris possèdent des prédispositions physiologiques permettant la survie en altitude. / Different rodent species present divergent abilities to colonize and establish stable colonies at high altitude (HA). Ecological studies show that mice (Mus) can be found at HA (up to 4000m) while rats (Rattus) are absent. The ability of an animal to survive and do physical activities at HA depends upon biological adaptations that can include physiological (phenotypical plasticity) and genetic, or epigenetic modifications. Adult Sprague Dawley (SD) rats can live under laboratory conditions at HA for several generations (La Paz, Bolivia – 3600m), but they display signs of physiological maladaptation such as excessive erythrocytosis, right ventricular hypertrophy (a sign of pulmonary hypertension) and altered alveolar structure with enlarged airspace in the lungs. These responses are mainly linked to an excessive sensibility to the oxygen (O2) ambient level during postnatal life. Indeed, raising the HA rats under sea level (SL) O2 pressure during early postnatal life significantly improved the physiological adaptation1,2. Furthermore, in HA wild mice (Mus musculus) living at HA, there is no signs of genetic adaptation to this environment. Accordingly, our general hypothesis is that mice possess specific physiological traits ensuring survival at HA. To assess this hypothesis, we conducted 4 studies to compare physiological responses (including ventilation, metabolic rate, hematology, lung morphology, arterial O2 saturation and heart rate) between FVB mice and SD rats raised at SL (Quebec, Canada) or HA (La Paz, Bolivia – 3600m). Our main results show that compared with rats, HA adult mice display enhanced alveolar surface area associated with increased O2 extraction, and avoid excessive erythrocytosis and right ventricular hypertrophy. At SL, under ambient conditions, mice and rats display similar physiological variables. However, after 6 hours of sustained hypoxia (12% O2), mice have higher minute ventilation and lower metabolic rate than rats. Mice also had an increased expression of the hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – the principal mediator of the cellular responses in hypoxia) in the brainstem after 6 hours of hypoxia (15% O2), while this response was not observed in rats. Hypoxic exposure during postnatal life at SL increased the lung volume and the hypoxic ventilatory response in mice but not rats. However, young HA rats preserve their lung architecture compared with young SL rats exposed to postnatal hypoxia. We conclude that rats living at HA for several generations display physiological strategies to cope with the ambient hypoxia that allow them to survive in laboratory conditions but are not sufficient to establish stables colonies in the wild. Also, our results confirm that mice are predisposed to withstand hypoxic environment.

Ce document fait la synthèse d'un ensemble de travaux concernant la nature de la plasticité neuronale et la manière dont la neurostimulation peut être utilisée pour améliorer la récupération motrice après une atteinte neurologique. Nous commençons par les principes fondamentaux généraux des neurosciences, la structure du système nerveux moteur chez l'homme et le rat, ainsi qu'une brève discussion sur les lésions neurologiques. Les sujets sont vastes et couverts avec la brièveté nécessaire, mais ils fournissent un contexte essentiel pour les chapitres suivants, présentés sous forme d'articles scientifiques. Dans le premier article, nous passons en revue le domaine de la neurostimulation sous ses aspects fondamental et clinique avec l'Accident Vasculaire Cerebral (AVC) en tant que maladie modèle pour les lésions neurologiques. Nous classifions les interventions de stimulation en trois modèles différents d'induction de la plasticité. Notre thèse centrale est qu'une meilleure compréhension des règles sous-jacentes de la plasticité, accompagnée de progrès dans une plus grande précision spatio-temporelle, est nécessaire pour faire avancer le domaine de la neurostimulation. Dans le deuxième article, nous décrivons, étape par étape, un nouveau protocole pour évaluer l'excitabilité corticospinale chez le rongeur éveillé pendant le comportement libre, ainsi que les plateformes matérielles et logicielles associées que notre équipe a développées à cette fin. L'une de ses principale caractéristique est la possibilité d'évaluer l'excitabilité corticomotrice en boucle fermée, en fonction de l'EMG, une nouvelle façon d'accroître l'uniformité des mesures sur des animaux en comportement. Cette plateforme de développement sera utile aux neuroscientifiques intéressés par l'évaluation de l'excitabilité du système nerveux chez les rongeurs éveillés par le biais d'une interrogation électrique ou optogénétique, un intermédiaire important avant les essais chez les primates non humains et éventuellement chez les humains. Dans le troisième article, nous avons utilisé cette plateforme prototype pour étudier la stimulation électrique associative appariée et le rôle de la plasticité dépendant de la synchronisation des potentiels d'action chez des rats implantés de façon chronique, sans l'influence de l'anesthésie. Nous nous sommes concentrés sur la variation systématique de l'intervalle entre la stimulation corticale et musculaire dans notre cohorte d'animaux afin de révéler l'effet de la synchronisation relative de l'activité aux niveaux cortical et spinal. Nous n'avons pas observé de potentialisation significative dans tous les intervalles de stimulation testés, mais plutôt des tendances vers des effets de type LTD dans la plupart des conditions de synchronisation. Nous discutons des raisons possibles pour lesquelles nous avons observé ces résultats. Dans le dernier article et dans le projet en cours, nous décrivons les premiers travaux prometteurs impliquant la neurostimulation optogénétique et électrique, ainsi que la réadaptation post-AVC comme tremplin pour des recherches futures. Nous concluons par une discussion générale et nous nous projetons dans l'avenir, tant à moyen qu'à long terme. La poursuite scientifique, tant sur le plan personnel que sur celui du domaine, se poursuivra, comme il se doit. Bien que ce travail soit conçu pour être lu dans un ordre séquentiel, chaque chapitre est indépendant. Collectivement, les travaux de cette thèse posent les bases et plaident en faveur d'une meilleure compréhension de la plasticité neuronale, du développement d'outils pour l'évaluer et de l'étude de ses applications pratiques pour parvenir à une meilleure récupération motrice après une lésion neurologique. / This document synthesizes a body of work concerning the nature of neural plasticity and how neurostimulation may be used to improve motor recovery after neurological insult. We begin with general foundational principles in neuroscience, the structure of the nervous and motor systems in humans and rats, and a brief discussion of neurological injury. The topics are broad and covered with the necessary brevity, but provides critical context for the following chapters. In the first paper, we review the fields of neurostimulation across the clinical and basic science domains in the service of stroke as a model disease for neurological injury, framing the field in terms of three different models of plasticity induction. Our central thesis here is that enhanced understanding of the underlying rules of plasticity, accompanied with advances in greater spatiotemporal precision is necessary to move the field of neurostimulation forward. In the second paper we describe a stable, novel step-by-step protocol to assess corticospinal excitability in the awake, freely behaving rodent, and the associated hardware and software platforms that our team has developed for this purpose. A core feature enables corticomotor excitability assessment in a closed-loop, Electromyogram (EMG)-dependent manner, a novel way of increasing consistency during free behavior in untrained animals. This development platform will be of use to neuroscientists interested in assessing the excitability of the nervous system in awake, unrestrained rodents via electrical or optogenetic interrogation, an important intermediary before trials in non-human primates and eventually humans. In the third paper, we used this prototype platform to investigate electrical paired associative stimulation and the role of spike-timing-dependent plasticity in chronically implanted rats, without the influence of anaesthesia. Our focus was on systematically varying the Inter-Stimulus Interval (ISI) between cortical and muscle stimulation in our animal cohort in order to reveal the effect of relative activity timing at both the cortical and spinal levels. We did not observe significant potentiation across all of the stimulus intervals we tested, but instead observed trends towards Long-Term Depression (LTD)-like effects in the short term across most timing conditions. We discuss possible reasons why we observed these results. In the final paper and project currently in progress, we describe early promising work involving optogenetic and electrical neurostimulation, and stroke recovery as a launchpad for future investigations. We conclude with a general discussion and peer into the future, both in the medium term and the long term. The scientific pursuit, both personally and as a field will continue, as it should. Although this work is designed to be read in sequential order, each chapter stands alone. Collectively, the work in this thesis lays the groundwork and argues for a greater understanding of neural plasticity, development of tools to assess it, and study of its practical applications to achieve enhanced motor recovery after neurological injury.

Le chémoréflexe laryngé (CRL), un ensemble de réponses physiologiques servant à protéger les voies respiratoires inférieures, est provoqué par la présence de liquide, consiste en une toux accompagnée de déglutition, de la fermeture du larynx, de l’éveil et de l’augmentation de la pression artérielle systémique. Chez un nouveau-né prématuré ou un raton, le CRL est immature et la stimulation de celui-ci provoque une apnée accompagnée de désaturation en O2, de bradycardie, d’un laryngospasme et d’une redistribution du débit sanguin aux organes vitaux. L’apnée du prématuré, le malaise grave du nourrisson et le syndrome de la mort subite du nourrisson sont des exemples de pathologies qui sont très probablement reliées à des évènements cardiorespiratoires observés chez les nouveau-nés prématurés. Le syndrome de la mort subite du nourrisson atteint principalement les garçons et un CRL immature est fortement soupçonné d’y être impliqué dans certains cas. La séparation maternelle néonatale (SMN) est connue pour provoquer un retard de développement du circuit neuronal contrôlant la respiration, mais quel est son effet sur le développement du CRL? Des études montrent que les n-3 PUFA favoriseraient le développement du poumon et du système nerveux central, mais est-ce que ceux-ci ont un effet au niveau du développement de la respiration au sens plus large? L’hypothèse de cette thèse est que l’environnement est capable d’avoir un impact sur le chémoréflexe laryngé chez le jeune raton. La SMN consiste en la séparation des ratons de leur mère et du reste de la portée dans un incubateur à température (35 °C) et humidité (45 %) contrôlés 3 h par jour du 3e jour de vie au 12e. Les expériences ont eu lieu au 14e et 15e jour. La SMN augmente les effets délétères de la stimulation du CRL, surtout chez les mâles. Nous avons réalisé 3 stimulations du CRL (injections de 10µL d’eau à proximité du larynx) séparées par 5 minutes de récupération. L’inhibition cardio-respiratoire due au CRL augmentait avec le nombre de stimulations. Nous avons étudié les courants des neurones des régions impliquées dans le CRL : le noyau du tractus solitaire (NTS, qui est le centre d’intégration des données provenant entre autres du larynx) et le noyau moteur dorsal du nerf vague (DMNV, impliqué dans la bradycardie). Au niveau du DMNV, nous avons observé une augmentation de la fréquence et de l’amplitude des courants postsynaptiques excitateurs (EPSCs) chez les animaux stressés. La tétrodotoxine (TTX) a un effet plus important chez les animaux stressés vs contrôles. Cela nous permet de déduire qu’au niveau du DMNV les afférences arrivant sur ces neurones sont plus nombreuses chez les animaux stressés vs contrôles. Une explication serait que l’élagage synaptique réalisé par la microglie est perturbé par la SMN. L’analyse de la microglie au niveau du NTS et du DMNV montre que le stress modifie le phénotype de la microglie, ce qui perturberait la fonction d’élagage synaptique. Mais l’étude ne démontre pas d’effet du stress au niveau de la communication neurones-microglie. Le stress provoqué par la SMN a des effets délétères sur le CRL, surtout chez les mâles, en provoquant une augmentation de l’inhibition cardio-respiratoire due au CRL. Cet effet serait dû à un défaut de l’élagage synaptique dans les régions impliquées dans le CRL, notamment au niveau des neurones responsables de la bradycardie. Le système respiratoire étant immature chez le nouveau-né prématuré, nous avons testé l’hypothèse que la supplémentation maternelle en acide gras polyinsaturé n-3 (AGPI n-3) pouvait accélérer la maturation de celui-ci. Les expériences ont eu lieu aux 10e et 11e jours de vie chez les ratons. La supplémentation maternelle en AGPI n-3 réduit l’apnée due au CRL et favorise le développement de la réponse ventilatoire à l’hypoxie et des poumons. Cependant, le traitement augmente le nombre d’instabilités respiratoires et provoque un retard de développement de la microglie dont l’impact est inconnu. Les AGPI n-3 seraient un bon traitement pour favoriser le développement du système nerveux contrôlant la respiration; cependant, il faudrait approfondir l’étude afin de s’assurer que certains effets des AGPI n-3 n’aient pas de conséquences indésirables. Le stress favorise les effets délétères dus à la stimulation du CRL chez le raton en augmentant le signal arrivant sur les neurones impliqués dans la réponse cardio-respiratoire au CRL, ce qui pourrait s’expliquer par un défaut d’élagage synaptique. Si l’on doit favoriser le développement du système respiratoire chez l’animal immature, les AGPI n-3 seraient une bonne option. / Laryngeal chemoreflex (LCR) is a set of physiological responses to protect lower airways from liquids and include coughing and swallowing, larynx closure, arousal, and systemic arterial pressure increase. In preterm infants or young rats, LCR is immature and elicits apnea, O2 desaturation, bradycardia, laryngospasm and redistribution of blood flow to vital organs. Apnea of prematurity, apparent life threatening events and sudden infant death syndrome (SIDS) are examples of pathology strongly suspected to be linked to cardiorespiratory events observed in preterm infants. SIDS is more prevalent in males and immature LCR is suspected to be involved in a few SIDS cases. Neonatal maternal separation (NMS) is known to delay development of control of breathing neuronal networks but what is its effect on LCR development? Studies have shown that n-3 PUFA promote lung and central nervous system development but could they have an effect on respiratory development? The thesis hypothesis is that environment could influence LCR in rat pups. NMS consists in the separation of pups from their mother and the rest of the litter in an incubator at a controlled temperature (35°C) and humidity (45%), 3h per day from post-natal day 3 (P3) to P12. Experiments were performed at P14-15. SMN increases deleterious effect of LCR stimulation especially in males. We have performed 3 LCR stimulations (with 10µl of water injected close to the larynx) separated by 5 minutes of recovery for each. We have observed that LCR cardiorespiratory inhibition increased with the number of stimulations. We have studied excitatory currents in neurons in regions involved in LCR: nucleus tractus solitarius (NTS, integration center of information coming from the larynx) and dorsal motor nucleus of the vagus nerve (DMNV, involved in bradycardia). In the DMNV we have seen an increase in excitatory post-synaptic currents (EPSCs) frequency and amplitude in stressed animals. Tetrodotoxin (TTX) has a more important effect on stressed animals vs controls. These findings allow us to hypothesize that afferents arriving on neurons in the DMNV are more numerous in stressed animals than in controls. One explanation of these results could be that synaptic pruning made by microglia is disrupted by NMS. Microglial analysis in the NTS and DMNV shows that NMS changes microglia phenotype which could disrupt synaptic pruning. However, this study did not demonstrate any disturbance from stress in neurons/microglia communication. Stress issuing from NMS delays LCR development, especially in males, by causing an increase in cardio-respiratory inhibition following LCR stimulation. This effect would be due to a synaptic pruning abnormality in neuronal regions involved in LCR, especially those involved in bradycardia. The respiratory system is immature in preterm infants. To accelerate maturation of this system, we have tested the effect of n-3 PUFA maternal supplementation. Experiments were performed in P10-11 rat pups. Maternal supplementation of n-3 PUFA reduced apnea duration caused by LCR stimulation, promoted hypoxic ventilatory response development and lungs development. However, the treatment increases the number of respiratory instabilities and induces a delay of microglial development whose impacts we do not know. N-3 PUFA maternal supplementation could be an interesting treatment to promote control of breathing development. That said, we should further the study to be sure that the unexpected effects of this treatment have no undesirable consequences. Stress increases the deleterious effects of LCR stimulation in rat pups by increasing the signal arriving on neurons involved in LCR cardiorespiratory response. This phenomenon could be explained by a disruption of synaptic pruning. If we look at a treatment to enhance respiratory system development in immature animals, n-3 PUFA is an option which should be considered.

OBJECTIF: L'administration d'érythropoïétine recombinante humaine (EPO) en insuffisance rénale chronique (IRC) corrige l'anémie, mais augmente la pression artérielle (PA). Par contre, l'EPO n'a pas d'effet sur la PA en conditions normales. L'effet presseur de l'EPO en IRC est associé à une augmentation de la production d'endothéline-1 (ET-1) et à une baisse de l'expression du récepteur ETB. L'activation ETB par l'ET-1 conduit à une vasodilatation in vivo. Cette étude vise à évaluer l'effet de l'EPO sur la réponse vasodilatatrice médiée par le récepteur ETB chez les rats normaux et urémiques. MÉTHODES: Les rats Wistar sont divisés en deux groupes et reçoivent, pendant trois semaines, par voie s.c, soit le véhicule (saline 0,9%) ou soit l'EPO (100 U/kg). La réponse hémodynamique de la pression artérielle in vivo à l'ET-1 est mesurée par l'artère carotidienne. L'ET-l, l'IRL-1620, un agoniste sélectif des récepteurs ETB. et les antagonistes ETA, le BQ-123, et ETB, le A192621, sont administrés par la veine jugulaire. RÉSULTATS: Les animaux normaux et urémiques qui reçoivent l'EPO ont un hématocrite plus élevé, mais ce traitement augmente seulement la PA des animaux urémiques. L'injection d'ET-1 induit une forte réponse hypotensive transitoire, suivie d'une réponse hypertensive prolongée. Cette réponse hypotensive est augmentée chez les animaux urémiques traités à l'EPO, un phénomène qui n'est pas observé chez les animaux normaux recevant l'rhEPO. L'IRL-1620 produit un effet vasodilatateur similaire à l'ET-1 sans causer d'hypertension. Cet effet vasodilatateur induit par l'IRL-1620 est augmenté chez les animaux normaux et urémiques traités à l'EPO comparativement aux animaux recevant le véhicule. Cependant, nous avons démontré par analyse de type Western que le taux d'enzyme eNOS est diminuée chez les animaux urémiques traités à l'EPO. CONCLUSION : Nos résultats indiquent que l'EPO module de façon différente la réponse vasodilatatrice médiée par le récepteur ETB chez les rats normaux et urémiques. Les changements de la réponse vasodilatatrice médiée par le récepteur ETB pourraient expliquer l'effet hypertenseur provoqué par l'EPO en IRC.

L'environnement et les habitudes de vie du père peuvent avoir une incidence sur la qualité de ses spermatozoïdes. De récents rapports ont démontré que la santé des générations futures peut également être altérée lorsque la santé reproductive du père est diminuée. De nombreux polluants organiques persistants (POPs) sont des perturbateurs endocriniens présents dans l'environnement et pourraient avoir un effet sur la fertilité masculine. De plus, il a été rapporté que l'acide folique (AF) pourrait, quant à lui, améliorer la production spermatique. Considérant ces éléments, nous avons émis l'hypothèse qu'une exposition prénatale aux POPs représentatifs de l'environnement affecte la santé reproductive masculine sur plusieurs générations et que l'AF pourrait potentiellement protéger la santé reproductive du père de ces effets néfastes. L'objectif général de cette thèse est donc de déterminer si l'exposition prénatale à des POPs a des effets sur la santé reproductive et la fertilité masculine sur plusieurs générations et si, une supplémentation en acide folique avant et pendant la grossesse permet de contrer ces effets. Afin de vérifier nos hypothèses, nous avons reproduit la transmission paternelle sur plusieurs générations en utilisant un modèle animal sur quatre générations en exposant seulement les mâles de première génération pendant leur croissance fœtale. Les femelles fondatrices Sprague-Dawley F0 ont reçu un mélange de POPs représentatif de l'environnement ou de l'huile de maïs avant l'accouplement et jusqu'à parturition. Leurs régimes alimentaires contenaient également des niveaux standard ou supplémenté d'AF. Par la suite, les générations F1-F4 ont reçu les régimes alimentaires standards sans POPs ni supplémentation en AF. Les paramètres de fertilité et la santé reproductive ont été évalués chez les mâles des générations F1 à F4. Nous avons remarqué que l'exposition prénatale aux POPs a diminué la viabilité et la motilité spermatiques sur 3 générations. La qualité du sperme a été partiellement améliorée par la supplémentation en AF en F1 et F2, avec des effets protecteurs minimes en F3 et F4. La fertilité n'a pas été affectée en F1 et F2, mais les POPs ancestraux et/ou la supplémentation en AF ont induit les pires issues de grossesse générées par les pères F3 (portées F4). Nous avons observé moins de fœtus issus de lignées exposées aux POPs et la combinaison de POP et supplémentation en AF a diminué le taux de fertilité en plus d'augmenter les pertes préimplantatoires. L'exposition prénatale aux POPs semble nuire aux paramètres reproducteurs masculins. Bien que la supplémentation en AF ait amélioré de nombreux paramètres, elle n'a pas atténué certains effets des POPs sur les 4 générations à l'étude. Néanmoins, la supplémentation en AF et le développement masculin méritent une enquête plus approfondie étant donné que chez les hommes, une altération de la qualité du sperme semble de plus en plus être associée à un prédicteur précoce de la maladie dans un sens plus large. / The father's environment and lifestyle can affect the quality of his sperm. Recent reports have shown that the health of future generations can also be impaired when the reproductive health of the father is diminished. Many persistent organic pollutants (POPs) are known environmental endocrine disruptors that may affect male fertility. Folic acid (FA) has been reported to improve sperm production. Considering these elements, we hypothesized that prenatal exposure to environmentally-relevant POPs affects male reproductive health over three generations and FA could potentially protect the father's sperm from the adverse effects. The general objective of this thesis is therefore to determine whether prenatal exposure to POPs has effects on reproductive health and male fertility over several generations and whether FA supplementation before and during pregnancy counteracts these effects. Hence, we reproduced paternal transmission over generations using a four-generation animal model by exposing only the first generation of males during their fetal growth. Founder Sprague-Dawley females F0 received corn oil or a mixture of POPs representative of that observed in the environment before mating and until parturition. Their diets also contained standard or supplemented levels of FA. Subsequently, the F1-F4 generations received standard diets without POPs or FA supplementation. Fertility parameters and reproductive health were assessed in males of the F1 to F4 generations. Prenatal POPs exposure of F1 males decreased sperm viability and motility across 3 generations. Sperm quality was partly rescued by FA supplementation in F1-F2, with minimal protective effects in F3-F4. Fertility was not affected in F1 and F2, but ancestral POPs and/or FA supplementation induced poorest pregnancy outcomes of F3 fathers (F4 litters). We observed fewer fetuses from POPs-exposed lineages and the combination of ancestral POP with FA supplementation decreased fertility rate and increased the preimplantation losses. Ancestral POPs exposure harms male reproductive parameters. Although FA supplementation improved many parameters it only mitigated several POPs effects across 4 generations. Nonetheless, FA supplementation and male development merit further investigation, especially considering recent reports that, in men, impaired semen quality is an early predictor of disease.