Abstract : Normal aging is accompanied by several metabolic and structural changes in the brain and a heightened risk of cognitive decline. These brain changes may increase the chances of later developing Alzheimer’s disease. The first major objective of the present work was to quantify, through positron emission tomography (PET) and volumetric magnetic resonance (MR) imaging techniques, the effects of normal aging on brain metabolism and structure. Our results indicate that brain glucose hypometabolism can be present in older individuals who remain cognitively normal. Cognitive status was assessed using age-normalised neuropsychological tests. Brain glucose hypometabolism was quite specific and affected primarily the prefrontal cortex and the caudate nucleus. Due to the high variation in plasma ketones, brain ketone hypometabolism per se was not present in older persons (≥65 years old). However, a lower rate constant for brain ketone uptake was fairly widespread in our healthy older group. Lower regional brain volume during normal aging was widespread throughout the cortex and was more apparent than cortical thickness loss. The second major objective was to characterize brain ketone and glucose metabolism in the context of mild Alzheimer’s disease. Glucose hypometabolism in Alzheimer’s disease was present in the temporoparietal cortex when compared with cognitively normal older adults. However, no significant differences in brain ketone metabolism or rate constant were found between the two groups. Alternative energy sources to glucose may therefore be beneficial to the Alzheimer’s disease brain, at least early in the disease process, in order to maintain neuronal capacity and limit synaptic loss and decline in memory and cognition. // Résumé : Au cours du vieillissement normal, le cerveau va subir plusieurs changements métaboliques et structuraux qui vont accroitre le risque de déclin cognitif et du fait même augmenter le risque de développer la maladie d’Alzheimer. Les objectifs du présent travail étaient de : 1) quantifier l’effet du vieillissement normal sur la structure et le métabolisme du cerveau, grâce aux techniquesd’imagerie tomographie par émission de positons et l’imagerie par résonance magnétique ; 2) caractériser le métabolisme cérébral des deux substrats énergétiques du cerveau, le glucose et les cétones, dans un contexte de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats indiquent qu’un hypométabolisme du glucose est présent chez des personnes âgées (65 ans et plus) qui démontrent pourtant une cognition normale. Cette diminution du métabolisme cérébral du glucose est observée spécifiquement au niveau des régions du cortex préfrontal et du noyau caudé. Du fait d’une grande variabilité au niveau des concentrations plasmatiques en cétones, aucune diminution du métabolisme des cétones n’a été constatée chez les personnes âgées. En revanche, la constante de transfert des cétones au cerveau était globalement diminuée. En ce qui concerne l’atrophie cérébrale au cours du vieillissement normal, nous avons observé qu’elle était globale, qu’elle concerne l’ensemble du cerveau et qu’elle était plus marquée que la diminution de l’épaisseur corticale. En comparant des personnes âgées en bonne santé à des personnes ayant la maladie d’Alzheimer, nous avons également confirmé que chez ces dernières, le métabolisme du glucose est diminué spécifiquement au niveau du cortex temporopariétal. Cependant, aucune différence entre les deux groupes de personnes n’a été observée en ce qui concerne le métabolisme cérébral des cétones. Ainsi en fournissant des substrats énergétiques autres que le glucose, il serait donc possible de maintenir les capacités neuronales, limiter la perte synaptique et ralentir le déclin cognitif. Ceci pourrait constituer une stratégie prometteuse dans la prévention et le traitement complémentaire au début de la maladie d’Alzheimer.

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.

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

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale d' un microsystème d'analyse dont l'originalité repose sur l'intégration d'une micro antenne planaire de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRMN) sur un système micro fluidique à base d'un polymère, le Cyclique Oléfine Copolymère (COC). La détermination des caractéristiques géométriques optimales du microsystème afin d'optimiser le couplage électromagnétique entre la micro antenne de détection et l'échantillon est effectuée à l'aide d'un modèle de calcul numérique, ce qui permet l'optimisation du rapport signal sur bruit (RSB). La réalisation du microsystème avec des procédés de micro fabrication développés au laboratoire ont permis de valides son fonctionnement dans un spectromètre dont le champ magnétique statique atteint 11.74 Tesla (fréquence de Larmor du proton égale à 500MHz). Travailler dans un champ aussi intense permet d'améliorer la sensibilité de détection mais nécessite de porter une attention particulière à l'homogénéité du champ magnétique qui, dans notre cas, peut être dégradée en raison de l'introduction du microsystème dans le spectromètre. En effet, les distorsions du champ magnétique, dues aux différentes susceptibilités magnétiques des matériaux constituant la microsonde, ont un impact direct sur la résolution spectrale. C'est pourquoi, une modélisation 3D par éléments finis est proposée afin de prévoir l'influence du microsystème sur la forme des raies spectrales et donc d'en déduire la résolution spectrale pouvant être espérée. La comparaison des résultats expérimentaux et ceux issus des simulations permet de valider le modèle de calcul numérique. Il apparait cependant nécessaire d'inclure le phénomène d'amortissement radiatif afin de pouvoir rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à la résolution spectrale effectivement observée.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

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 travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryog&nique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures infèrieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanèment, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

La drépanocytose est la maladie génétique la plus répandue au monde. Elle est caractérisée par la synthèse d’une hémoglobine anormale S (HbS) et associée à une altération des processus de distribution d’oxygène. Bien que ces anomalies puissent impacter le muscle strié squelettique, ce tissu n’a que très rarement été étudié. L’objectif de ce travail de thèse était de décrire les réponses fonctionnelles et énergétiques du muscle à l’exercice aigu, à l’ischémie – reperfusion et à l’entraînement en endurance dans un modèle de souris drépanocytaires, et d’identifier les mécanismes responsables des échanges de protons entre le muscle et le sang.Des souris drépanocytaires sédentaires et entraînées ont été soumises à des protocoles standardisés de repos – stimulation – récupération et repos – ischémie – reperfusion pendant lesquels la force et le métabolisme énergétique (par spectroscopie de résonance magnétique du phosphore 31) étaient mesurés. Des souris hétérozygotes pour le transporteur de monocarboxylate 1 (MCT1) ont également été soumises au protocole de stimulation. Des analyses in vitro du métabolisme énergétique et des mécanismes de régulation du pH ont également été réalisées.Ce travail a permis de démontrer que les réponses fonctionnelles et énergétiques à l’exercice musculaire et l’ischémie - reperfusion étaient affectées par la présence d’HbS et que l’entraînement en endurance permettait d’améliorer une partie de ces anomalies. Nous avons également observé que MCT1 était responsable de l’entrée des protons dans la cellule au repos, mais peu actif pendant l’exercice. / Sickle cell disease (SCD) is the most frequent inherited disorder in the world. It is characterized by the synthesis of an abnormal hemoglobin S (HbS) and associated with impairments in oxygen delivery processes. If these abnormalities could impact skeletal muscle, this tissue has been rarely investigated. The aim of this thesis was to investigate muscular function and energetics in response to acute exercise, ischemia – reperfusion and endurance training in a mouse model of SCD, as well as identify the mechanisms involved in proton exchanges between muscle and blood.Sedentary and trained SCD mice were submitted to protocols of rest – stimulation – recovery and rest – ischemia – reperfusion during which muscular force and energetics (by magnetic resonance spectroscopy of phosphorus 31) were measured. Monocarboxylate transporter 1 (MCT1) haploinsufficient mice were also submitted to the stimulation protocol. Several muscles were sampled and permitted to analyze in vitro enzyme activities, content of proteins involved in pH regulation and some markers of oxidative stress.This thesis demonstrated that muscular function and energetics were impaired in SCD mice in response to both exercise and ischemia – reperfusion and that endurance training could alleviate some of these abnormalities, particularly acting on oxidative processes. We have also observed that MCT1 is involved in proton uptake by myocytes at rest, but its action is less important during exercise.

La composition en acides gras du tissu adipeux mammaire est reconnue comme marqueur qualitatif de la consommation lipidique antérieure mais aussi de la part nutritionnelle du risque / pronostic du cancer du sein. Ceci ouvre la perspective d’individualiser dans la population générale, un groupe de personnes à risque, susceptibles de bénéficier d’une intervention nutritionnelle ciblée. L’approche du dépistage d’une population à risque par l’utilisation de la composition du tissu adipeux comme biomarqueur se heurte i) à l’aspect invasif que représente le prélèvement d’un fragment de tissu adipeux mammaire, et ii) à la lourdeur contraignante du conditionnement et de l’analyse systématique des acides gras du tissu adipeux. Les méthodes analytiques actuellement disponibles sont incompatibles avec la perspective d’un dépistage de masse. Cependant, les descriptions récentes de l’utilisation de la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) pour décrire la composition lipidique des triglycérides du tissu adipeux permettent d’envisager de l’utiliser dans cet objectif. Ce travail de thèse présente: 1) l’évaluation de la SRM pour caractériser la composition en acides gras du tissu adipeux chez l’animal (le rat) suite à une intervention nutritionnelle, 2) l’évaluation du profil lipidique du tissu adipeux par SRM chez la femme sur une plateforme clinique 3T, 3) l’étude des liens entre la composition en acides gras du tissu adipeux et la présentation du cancer du sein, et 4) la comparaison des données de la SRM in vitro (11.7T) et in vivo (3T) du tissu adipeux chez des patientes prises en charge pour un cancer du sein avec les données de la chromatographie gazeuse. / Fatty acid composition of the white adipose tissue remains the most reliable qualitative biomarker of previous dietary intake of fatty acids and may provide information on the nutritional part of the risk or evolution of breast cancer. This opens the prospect of individualization of women at high nutritional risk of breast cancer that may benefit from a targeted nutritional intervention but 1) the need for biopsy and 2) subsequent time-consuming biochemical analyses hamper any application of this approach. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) of adipose tissue lipids represents an appealing, non-invasive approach, which could circumvent these limitations. This manuscript reports: 1) an assessment of feasibility of (1H-MRS) to evaluate the consequences of a nutritional intervention in a rat mammary tumor model on the adipose tissue fatty acid composition, 2) an assessment of the feasibility of in vivo measurement of the fatty acid composition of breast adipose tissue by (1H-MRS) on a clinical platform, 3) an assessment of the relation of specific patterns of composition of adipose tissue fatty acids with the presentation of breast cancer, and 4) a comparison with gas chromatography of (1H-MRS) data acquired on breast adipose tissue in vitro (11.7T) and in vivo (3T) on patients managed for breast cancer.

La Spectroscopie et l'Imagerie Spectroscopique de Résonance Magnétique (ISRM) jouent un rôle émergent parmi les outils cliniques, en donnant accès, d'une manière complètement non-invasive, aux concentrations des métabolites in vivo. Néanmoins, les inhomogénéités du champ magnétique, ainsi que les courants de Foucault, produisent des distorsions significatives de la forme de raie des spectres, induisant des conséquences importantes en termes de biais lors de l'estimation des concentrations. Lors des traitements post-acquisition, cela est habituellement traité à l'aide des méthodes de pré-traitement, ou bien par l'introduction de fonctions analytiques plus complexes. Cette thèse se concentre sur la prise en compte de distorsions arbitraires de la forme de raie, dans le cas des méthodes qui utilisent une base de métabolites comme connaissance a priori. L'état de l'art est évalué, et une nouvelle approche est proposée, fondée sur l'adaptation de l'amortissement de la base des métabolites au signal acquis. La forme de raie présumée commune à tous les métabolites est estimée et filtrée à l'aide de la méthode LOWESS. L'approche est validée sur des signaux simulés, ainsi que sur des données acquises in vitro. Finalement, une deuxième approche novatrice est proposée, fondée sur l'utilisation des propriétés spectrales de la forme de raie commune. Le nouvel estimateur est testé seul, mais aussi associé avec l'estimateur classique de maximum de vraisemblance, démontrant une réduction significative du biais dans le cas des signaux à haut rapport signal-sur-bruit. / Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) and Spectroscopic Imaging (MRSI) play an emerging role in clinical assessment, providing in vivo estimation of disease markers while being non-invasive and applicable to a large range of tissues. However, static magnetic field inhomogeneity, as well as eddy currents in the acquisition hardware, cause important distortions in the lineshape of acquired NMR spectra, possibly inducing significant bias in the estimation of metabolite concentrations. In the post-acquisition stage, this is classically handled through the use of pre-processing methods to correct the dataset lineshape, or through the introduction of more complex analytical model functions. This thesis concentrates on handling arbitrary lineshape distortions in the case of quantitation methods that use a metabolite basis-set as prior knowledge. Current approaches are assessed, and a novel approach is proposed, based on adapting the basis-set lineshape to the measured signal.Assuming a common lineshape to all spectral components, a new method is derived and implemented, featuring time domain local regression (LOWESS) filtering. Validation is performed on synthetic signals as well as on in vitro phantom data. Finally, a completely new approach to MRS quantitation is proposed, centred on the use of the compact spectral support of the estimated common lineshape. The new metabolite estimators are tested alone, as well as coupled with the more common residual-sum-of-squares MLE estimator, significantly reducing quantitation bias for high signal-to-noise ratio data.