Le vieillissement de la population a vu émerger des maladies liées à l'âge telles que les maladies neurodégénératives. La neuromodulation peut être proposée à certains patients lorsque les médicaments ne sont plus efficaces ou qu'ils entraînent des effets secondaires invalidants. L’objectif de cette thèse est de mieux caractériser les structures cérébrales pour optimiser le ciblage de la neuromodulation et, ainsi augmenter les bénéfices thérapeutiques.Le premier axe de recherche porte sur la région locomotrice mésencéphalique (MLR) qui est une cible en cours d'évaluation pour les patients parkinsoniens souffrant de troubles de la marche et de l'équilibre. Nous avons exploré la connectivité de la MLR et les résultats nous ont amené à considérer que le noyau pédonculopontin (PPN), qui est une région constituante de la MLR, est la cible à privilégier. Or, une perte des neurones cholinergiques du PPN a été montrée chez les patients parkinsoniens. Le second projet a consisté à étudier la topographie de la perte de neurones chez différents groupes pathologiques. Nos résultats montrent que le maximum de densité des neurones cholinergiques se situe à +3 mm du début supérieur du PPN et serait la cible optimale de sa neuromodulation. Enfin, nous avons construit un atlas 3D du tronc cérébral humain afin de guider l’implantation d'électrode dans la MLR.Le second axe de recherche concerne le Vim qui est la cible usuelle pour les tremblements essentiels. Nous avons appliqué différentes méthodes de ciblage et comparé les localisations. Nous avons trouvé des différences de distance entre cibles, pouvant affecter les résultats de la neuromodulation, supérieures à 1.5 mm. / The aging of the population has led to the emergence of many age-related diseases such as neurodegenerative diseases. Neuromodulation techniques can be proposed to some patients when medications are no longer effective or have invalidating side effects. The objective of this PhD is to better characterize brain structures in order to optimize neuromodulation targeting and thus increase the therapeutic benefits for patients.The first area of research concerns the mesencephalic locomotor region (MLR), which is a neuromodulation target being evaluated for Parkinsonian patients who suffer from walking and balance disorders. We explored the anatomical connectivity of the MLR and the results led us to consider the pedonculopontin nucleus (PPN), which is a part of the MLR, as the target of neuromodulation to privilege. However, partial loss of cholinergic neurons in the PPN has been shown in Parkinsonian patients. The second project consisted in studying the topography of this loss in different pathological groups. Our results show that the maximum density of cholinergic neurons in all the subjects is situated at +3 mm from the superior edge of the PPN and is the optimal target for its neuromodulation. Finally, we constructed a 3D atlas of the healthy human brainstem in order to guide the implantation of electrodes in the MLR.The second area of research concerns the ventral intermediate nucleus (Vim) of the thalamus, which is the usual neuromodulation target for essential tremors. We applied various targeting methods of the Vim and compared the locations. We found differences in distance between targets greater than 1.5 mm which may affect the neuromodulation results.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) du globus pallidus interne (GPi) est une technique neurochirurgicale établie pour le traitement des mouvements anormaux. Malgré l'effet bénéfique de la SCP du GPi chez les patients porteurs d'un syndrome dystono-dyskinétique (SDD) primaire généralisé, le degré d'amélioration varie d'un patient à l'autre. Nous proposons un modèle anatomique computationnel basé sur l'IRM stéréotaxique mis en concordance avec un modèle de la distribution électrique du système de SCP qui peut être appliqué en pré- et postopératoire sur des patients déjà implantés. Le but de ce modèle est d'optimiser la localisation de la cible au moment de la planification chirurgicale, permettant une localisation des contacts de l'électrode après la chirurgie et d'ajuster les paramètres électriques en routine clinique et pour chaque patient. Nous avons appliqué le modèle à des données cliniques enregistrées de patients avec un SDD primaire généralisé qui ont été traités par l'implantation bilatérale d'électrode dans le GPi. Cette thèse discute les effets des variables liniques, anatomiques (volume du GPi) et électriques (volume stimulé) sur le score moteur postopératoire de l'échelle Burke-Fahn-Marden Dystonia rating scale (BFMDRS) afin d'identifier les facteurs pouvant prédire le degré d'amélioration. En utilisant ces résultats, nous avons modélisé une nouvelle électrode théorique pour optimiser la délivrance du courant, améliorer le bénéfice thérapeutique, minimiser les effets de bord de la SCP et obtenir une distribution du champ électrique plus homogène.

La stimulation cérébrale profonde est un traitement efficace pour traiter les symptômes parkinsoniens chez les patients en échappement thérapeutique médical. L'intervention chirurgicale consiste à positionner au millimètre près une électrode de stimulation dans un noyau cérébral profond. La qualité du ciblage peut être améliorée par des bases de données multimodales, à la fois anatomiques, cliniques et électrophysiologiques. En premier lieu, nous avons créé une IRM moyennée appelée template Parkinson, puis nous avons validé la segmentation des 24 structures cérébrales profondes du template. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la meilleure localisation du plot stimulé dans le noyau subthalamique (NST) en étudiant les résultats moteur et neuropsychologiques de 30 patients parkinsoniens stimulés dans le NST. Pour chaque score clinique, nous avons obtenu un atlas anatomo-clinique, associant le degré d'amélioration ou de dégradation du patient avec son plot stimulé. Nous avons constaté une discordance entre la meilleure amélioration motrice et l'inévitable dégradation des fluences en stimulant dans la région postéro-supérieure du NST. Dans un troisième temps, nous avons développé des cartes statistiques anatomo-cliniques pour visualiser les conséquences motrices et neuropsychologiques à 6 mois d'une stimulation du pallidum médial (GPm) chez 20 patients parkinsoniens. Les patients étaient tous améliorés sur le plan moteur sans altération neuropsychologique. La zone où la majorité des patients étaient améliorés sur le plan moteur, était la partie postéro-ventrale du GPm, un peu plus latéralement que les données de la littérature. Notre but est d'utiliser les cartes statistiques de manière prospective chez d'autres patients à opérer, pour raccourcir le temps de ciblage pré-chirurgical le jour de l'intervention et pour améliorer le résultat postopératoire, tant sur le plan moteur que neuropsychologique.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf ) permet de détecter sur le cerveau entier des activations neuronales en réponse à un stimulus, par le biais de l'observation des modifications hémodynamiques occasionnées. En particulier, l'IRMf est un outil de choix pour l'étude des mécanismes de la stimulation cérébrale profonde et de la stimulation du nerf vague qui sont encore mal connus. Cependant, cette technique n'est pas facilement utilisable chez l'homme en raison des problèmes de sécurité vis-à-vis de l'action des champs magnétiques intenses utilisés en IRM au niveau des électrodes implantées. Les développements méthodologiques chez l'animal sont donc nécessaires. L'objectif principal de cette thèse est l'étude des mécanismes à distance de la stimulation du système nerveux central et périphérique par IRMf chez le rat. Nous présentons dans un premier temps les séquences IRM rapides utilisées en IRMf, comme l'Echo-Planar Imaging multishot, permettant d'imager le cerveau entier en 1 à 2 secondes seulement, ainsi que les différents problèmes posés par l'utilisation de ces séquences, comme les artefacts de susceptibilité magnétique. Le couplage des séquences développées durant cette thèse avec des mesures électrophysiologiques a notamment permis l'imagerie des réseaux épileptiques chez le rat. Dans un second temps, nous développons les problèmes posés par la préparation animale, particulière en IRMf de par le fait que le couplage neurovasculaire doit être préservé sous anesthésie afin de préserver les activations neuronales. Après comparaison avec les anesthésies à l'isoflurane et la kétamine, nous avons déduit que la médétomidine constituait un anesthésique de choix pour l'IRMf du rongeur, et précisons le protocole de préparation animale utilisé pour l'imagerie. De plus, les électrodes utilisées en stimulation intracérébrale induisent des artefacts importants en imagerie, et des électrodes constituées de matériaux amagnétiques sont nécessaires. Nous expliquons pourquoi nous avons choisi des électrodes en carbone, et présentons le protocole de fabrication utilisé. Nous avons ensuite validé ces développements méthodologiques par des expériences d'IRMf de challenges hypercapniques et de stimulation de la patte chez le rat. Puis nous avons conduit une étude IRMf approfondie des mécanismes d'action de la stimulation du nerf vague, en s'intéressant à la distinction entre activations neuronales et effets cardiovasculaires confondants par modélisation causale dynamique. Nous présentons aussi des résultats en IRMf de la stimulation électrique intracérébrale chez le rat. Plusieurs cibles ont été stimulées (noyau géniculé dorso-latéral, gyrus dentelé, striatum et thalamus), et des activations ont été obtenues à distance de l'électrode, conformément aux connaissances actuelles sur les connexions neuroanatomiques de ces noyaux. Ainsi, nous avons mis au point et validé l'IRMf du rat et son application à la stimulation électrique du système nerveux périphérique et central. / Functional magnetic resonance imaging (fMRI) can detect neuronal activations in the entire brain, in response to a stimulus, through the observation of subsequent hemodynamic changes. In particular, fMRI is a good tool for studying the mechanisms of deep brain stimulation and vagus nerve stimulation, which are still poorly understood. However, this technique is not readily usable in humans because of safety concerns towards the action of the strong magnetic fields used in MRI on implanted electrodes. Indeed, methodological developments in animals are needed. The main goal of this thesis is to study the mechanisms of central and peripheral nervous system stimulation in rats by fMRI. First, fast MRI sequences used in fMRI are exposed, such as multishot Echo-Planar Imaging, allowing to image the entire brain in a couple of seconds. Various imaging problems posed by these sequences, such as magnetic susceptibility artifacts, are also presented. These sequences, developed during this thesis, associated with electrophysiological measurements, allowed imaging of epileptic networks in the rat. Secondly, animal preparation is developped, as it is peculiar in fMRI : neuronal activations, as well as neurovascular coupling, must be preserved under anesthesia. Compared to anesthesia by isoflurane and ketamine, it was concluded that medetomidine was an anesthetic of choice for fMRI of the rodent, and the protocol used for animal preparation for imaging is specified. Furthermore, the electrodes used in deep brain stimulation induce significant artifacts in MRI images, and electrodes made of amagnetic materials are needed. Our choice of carbon electrodes is explained, and the manufacturing protocol used is exposed. These methodological developments were then validated in fMRI experiments of hypercapnic challenges and forepaw stimulation. Finally, an fMRI experiment studying mechanisms of action of vagus nerve stimulation was conducted, focusing on the distinction between neuronal activations and confounding cardiovascular effects by dynamic causal modeling. Also, results on fMRI of deep brain stimulation in rats are presented. Several targets were stimulated (dorsolateral geniculate nucleus, dentate gyrus, striatum and thalamus), and activations were obtained at a distance from the electrode. Results were in accordance with current knowledge on neuroanatomical connections of these nuclei. Thus, we developed and validated fMRI of the rat and its application to electrical stimulation of peripheral and central nervous system.

La Tomographie par Émission de Positons (TEP) est une méthode d'imagerie médicale nucléaire permettant de mesurer l'activité métabolique d'un organe par la dégradation d'un radio-traceur injecté. Cette méthode d'imagerie peut être utilisée pour l'observation de l'activité métabolique cérébrale à l'aide d'un radio-traceur adéquat, tel que le 18F-Fluorodésoxyglucose. Dans le cadre d'une étude clinique, des patients cérébro-lésés ayant des troubles de la conscience ont eu une chirurgie d'implantation d'électrodes de Stimulation Cérébrale Profonde (SCP). Afin d'effectuer un suivi des patients avant et après la procédure de SCP, et parce qu'elle est compatible avec la présence d'électrode, l'imagerie TEP est utilisée. Nous nous posons la question suivante, comment caractériser les variations entre deux imageries TEP afin de mesurer précisément l'éffet d'un traitement ? Par construction les valeurs obtenues en imagerie TEP dépendent de nombreux facteurs. Si le poids du patient ainsi que la quantité injectée de radio-traceur marqué sont classiquement normalisés en utilisant la méthode des 'Standard Uptake Value' (SUV), la glycémie, entre autre ne l'est pas. Pour cette raison, calculer les variations d'activités entre deux imageries TEP est un problème délicat. Nous proposons une fonction pour calculer les cartes de variation métabolique de deux acquisitions TEP basée sur une approche voxel du ratio des imageries TEP. Nous l'appliquons à l'étude des patients stimulés (SCP) avec troubles de la conscience. Plus spéciffiquement, nous nous intéressons à la comparaison des imageries TEP intra-patient (avant versus après SCP), mais aussi à la comparaison interpatient (patient versus référence). Dans le processus de création des cartes intra-patient, les imageries TEP sont recalées rigidement avec une acquisition pondérée T1 d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) structurelle. Du fait de déformations majeures liées aux lésions cérébrales, un masque cérébral précis est créé manuellement par un expert clinique. Dans le processus de création des cartes inter-patient, les imageries TEP des patients sont recalées de manière élastique à une imagerie de référence, un atlas (groupe témoin), que nous construisons. Dans ce cas, un masque semi-automatique de l'intérieur de la boîte crânienne est réalisé. Les résultats peuvent être affinés par l'application supplémentaire d'un masque manuel déformé. Un des points clefs de la méthode est de calculer une normalisation spécifique à chaque imagerie, les rendant comparables, afin de calculer une caractérisation quantitative des variations métaboliques cérébrales. Les cartes de variation métabolique cérébrale obtenues sont ensuite comparées aux évaluations et effets cliniques observés afin de juger de leur pertinence. / Positron Emission Tomography is a nuclear medicine imaging method, allowing measure of an organe metabolic activity through degradation of an injected radio-tracer. This methode can be used, with the appropriate radio-tracer, such as 18F-Fluorodeoxyglucose, for observation of cerebral metabolic activity. Through a clinical study, brain damaged patients with counciousness disorders had an implantation surgery of Deep Brain Stimulation (DBS) electrodes. To be able to do the follow up of the patient before and after the DBS procedure, and because it's compatible with electrodes, PET imaging is used. We ask ourself the following question, how to characterize variations between two PET images, to precisely mesure the impact of a treatment ? By construction, PET imaging obtained values depend of numerous factors. If patient weight and injected radio-tracer are classicaly normalized, using the `Standard Uptake Value' (SUV) method, glycemia for exemple is not. For this reason, compute activity variations between two PET images is a delicate problem. We propose a specific function to allow computation of metabolic variation maps for two PET acquisitions, based on a voxel approach of the PET imaging ratio. We apply it to the study of stimulated patients (DBS) with counciousness disorders. More specifically, we are interested in intra-patient PET imaging comparison (before versus after DBS), but also in inter-patient comparison (patient versus reference). During the intra-patient maps creation process, PET patient images are rigidly registered with a T1 weighted structural Magnetic Resonance Imaging (MRI) acquisition. Due to major deformation caused by cerebral injuries, a precise brain mask is created by a clinical expert. During the inter-patient maps creation process, PET patient imaging are non-rigidly registered to a reference imaging, an Atlas we build. In this case, a semi automatic mask of the inside skull is computed. Results can be further improved by the supplementary application of a deformed manual mask. One of the method key elements, is to estimate a specific normalization for each imaging, making them comparable, in order to calculate quantitative charaterisation of cerebral metabolic variations. Cerebral metabolic variation maps obtained are then compared to observed clinical assesments and effects to judge their relevance.

L'évolution des connaissances dans le domaine de la neurochirurgie fonctionnelle, la neuroradiologie et les études de traçage neuronal par virus neurotropes ont permis d'étudier les circuits sous-tendant l'expression clinique de plusieurs syndromes neurologiques. La stimulation cérébrale profonde (SCP) du globus pallidus interne (GPi) est une thérapie validée dans les syndromes dystono-dyskinétiques (SDD) isolés. L'extension des indications vers des SDD secondaires ou hérédo-dégénératifs nous confronte à la nécessité d'améliorer notre compréhension des mécanismes de réorganisation fonctionnelle du circuit moteur et de l'intégrité résiduelle des connexions anatomiques. L'efficacité de la SCP dans les SDD complexes est déterminée par la préservation relative de la voie pyramidale, les interactions du circuit cortico-striato-pallido-thalamique et cérébello-thalamo-cortical et la réorganisation du réseau moteur au niveau cortical. Ce travail de thèse a essayé d’évaluer différentes composantes du réseau moteur in vivo chez l’homme à travers de l’étude de trois pathologies du mouvement associées à un SDD complexe. L’application de la SCP à la maladie de Huntington (MH) est un modèle d'étude du réseau moteur dans le contexte d’un SDD associé à une dégénérescence des neurones striato-pallidaux. Nous avons fait une étude prospective pour évaluer l'efficacité à long terme de la SCP du GPi sur les symptômes moteurs de la MH. Sept patients ayant une chorée sévère réfractaire au traitement pharmacologique ont été inclus dans l'étude. Nous avons observé une réduction significative de la chorée chez tous les patients avec un effet maintenu dans le temps (suivi médian de 3 ans). La bradykinésie et la dystonie ont montré une tendance (non significative) à une aggravation progressive. L'analyse anatomo-fonctionnelle du réseau moteur résiduel sous-tendant un SDD secondaire (dû à une lésion cérébrale acquise) a été abordée par deux techniques de neuroimagerie avancée. La réorganisation du circuit moteur dans le cadre d’une hémidystonie a été évaluée par IRM fonctionnelle. Les objectifs principaux ont été: 1) l’évaluation des régions activées par l'exécution d’une tâche motrice chez un groupe de patients hémidystoniques par rapport à un groupe de sujets témoins; 2) l’identification des profils d'activation selon le phénotype clinique (hypo/hyperkinétique) ou radiologique (lésion localisée en amont ou en aval du GPi) (des critères qui orientent l’éligibilité pour la SCP pallidale). Les études individuelles des patients ont montré des profils d'activation hétérogènes avec une activation bilatérale possible malgré le caractère unilatéral des lésions. En comparaison avec les sujets témoins, les patients ont présenté une réduction de l'activation au niveau thalamique, pallidal et temporal médial du côté ipsilatéral à la lésion. Les patients atteints d'une hémidystonie hypokinétique ont montré un profil d'activation bi-hémisphérique, désorganisé, ce qui pourrait expliquer le manque de réponse à la SCP observée dans cette présentation clinique. L'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) a été appliquée à l'étude de la distribution topographique et la gravité des lésions de la substance blanche d'un groupe de patients atteints d'un SDD secondaire à une encéphalopathie anoxique néonatale par rapport à un groupe témoin. L'étude TBSS (tract based spatial statistics) a identifié la présence d'anomalies diffuses de la microstructure de la substance blanche (diminution de la fraction d’anisotropie (FA)) chez les patients. La technique de tractographie probabiliste a été utilisée pour reconstruire les faisceaux corticospinaux (CS) et thalamocorticaux (TC) (les voies efférentes du circuit moteur) et pour obtenir des paramètres quantitatifs DTI moyens pour chaque faisceau. La FA moyenne des faisceaux TC est diminuée chez les patients. Nous avons étudié la corrélation entre les paramètres cliniques et neurophysiologiques et les paramètres DTI du groupe de patients. / Advances in the field of functional neurosurgery, neuroradiology and virus neuronal tracing studies have enabled to deepen our knowledge of the circuits underlying the clinical expression of several neurologic syndromes. Globus pallidus internus (GPi) deep brain stimulation (DBS) is a validated technique for the treatment of isolated (primary) dystonia-dyskinesia syndromes (DDS). Broadening indications for DBS therapy to complex DDS (secondary and heredodegenerative disorders) require further understanding of motor circuit functional reorganization mechanisms and residual anatomic connections integrity. The efficacy of neuromodulation in these complex dystonia syndromes is determined by the relative preservation of pyramidal pathway, the interactions between cortico-striato-pallido-thalamic and cerebello-thalamo-cortical circuits and motor network reorganization at the cortical level. This thesis has tried to evaluate the different components of human motor network in vivo through the study of three different movement disorders associated with complex dystonia. The application of DBS to Huntington’s disease (HD) is a model for the study of the motor network in the context of this heredodegenerative DDS associated with striatal neuron degeneration in the cortico-striato-pallido-thalamic loop. We have conducted a prospective study to evaluate long-term motor outcome of GPi DBS in HD. Seven patients with severe chorea refractory to medical treatment were included in the study. Significant and sustained reduction of chorea was observed for all patients until last follow-up visit (median follow-up was 3 years). Bradykinesia and dystonia showed a non-significant trend towards progressive worsening. Anatomic and functional assessment of the motor circuit following brain injury (secondary DDS) has been approached by two different advanced neuroimaging techniques. We have studied motor circuit reorganization underlying hemidystonia in functional magnetic resonance imaging (fMRI). The main objectives of this study were: 1) to evaluate activation regions associated with motor task execution in a group of hemidystonic patients compared with another group of healthy control subjects; 2) to identify activation patterns related to clinical (hypo or hyperkinetic) or radiological (prepallidal or postpallidal) phenotypes (following clinical criteria relevant for DBS therapy eligibility). Activation patterns associated with motor-task execution were heterogeneous in single-subject studies. Despite the unilateral distribution of lesions leading to dystonia, bilateral activation was found in several subjects. Compared with healthy control group, hemidystonic patients showed reduced brain activation in ipsilesional thalamus, globus pallidus and medial temporal areas. Hypokinetic hemidystonic subgroup showed widespread bilateral overactivity involving both hemispheres. Poor clinical outcome associated with this clinical presentation could be explained by DBS therapy inability to modulate a highly disorganized network. Diffusion tensor imaging (DTI) has been applied to the study of the topographic distribution and severity of white matter lesions in a group of patients with a DDS secondary to neonatal anoxic encephalopathy in comparison with a healthy control group. TBSS (tract based spatial statistics) found widespread areas of abnormal white matter microstructure (decreased fractional anisotropy (FA)) in the corpus callosum, corona radiata and posterior limb of the internal capsule in the group of patients. After running probabilistic tractography to reconstruct corticospinal and thalamocortical tracts (motor circuit output pathways), mean quantitative tract-derived DTI parameters were calculated for each single tract. This study found decreased mean FA in thalamocortical tracts in the group of patients as compared to healthy controls. Clinical scores and neurophysiological measures were also analyzed and correlated with DTI parameters.

Ce travail s’est focalisé sur l’implication, longtemps négligée, du complexe centremédian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus dans le fonctionnement physiopathologique des ganglions de la base (GB), avec pour objectif principal d’évaluer le potentiel thérapeutique du ciblage de ce noyau dans le traitement chirurgical par stimulation cérébrale profonde (SCP) des mouvements anormaux. Notre étude a porté dans un premier temps sur un modèle de la maladie de Parkinson (MP) chez le rat. La SCP à haute fréquence (SHF) du CM/Pf réduit différents troubles parkinsoniens (akinésie et négligence sensorimotrice) ainsi que les dyskinésies L‐Dopa induites. Cependant, la mise en évidence d’une action négative du traitement dopaminergique sur les effets anti‐parkinsoniens de cette stimulation compromet l’intérêt de cette cible dans le cadre de la MP dont la L‐Dopa reste le traitement de référence. Au niveau cellulaire, la SHF‐CM/Pf interfère très largement avec les effets de la lésion dopaminergique dans le réseau des GB, confirmant la position clé de ce complexe dans la modulation de l’activité des GB. De plus, la comparaison des effets comportementaux et cellulaires de la SHF de cette cible avec celle du noyau subthalamique, cible actuellement privilégiée dans le traitement de la MP, montre des spécificités en relation notamment avec une action sélective de la manipulation du CM/Pf sur le noyau entopédonculaire (EP), homologue chez le rongeur du globus pallidus interne dont l’implication dans les dyskinésies est bien documentée. Notre étude électrophysiologique in vivo confirme la relation entre activité du Pf et manifestation des dyskinésies en mettant en évidence une réactivité du Pf au traitement chronique à la L‐Dopa. Nous avons également montré que la lésion dopaminergique entraine une diminution de l’expression d’un marqueur métabolique de l’activité neuronale dans le Pf qui est complètement normalisée par la SHF, suggérant pour la première fois que la SHF pourrait corriger une diminution d’activité du noyau ciblé. Enfin, la relation étroite entre l’EP et le CM/Pf nous a encouragé à évaluer les effets de la SCP du Pf sur les dystonies sachant que celles‐ci sont traitées par SCP du globus pallidus interne. Nous avons montré, sur le modèle de hamster dtsz, que l’induction des dystonies est favorisée par la SCP à basse fréquence du Pf alors qu’elle est retardée par la SHF appliquée de façon subchronique (9 jour), ce qui met en évidence l’implication du CM/Pf dans cette autre affection motrice liée aux GB. / The involvement of the centremedian/parafascicular (CM/Pf) thalamic complex has long been neglected in the pathophysiological functioning of basal ganglia (BG). However, this complex forms a functional loop with the BG suggesting that it could be a new target for the surgical treatment by deep brain stimulation (DBS) of BG‐related disorders such as Parkinson's disease (PD). In this context, we evaluated the therapeutic potential of CM/Pf‐DBS in a rat PD model. DBS at high frequency (HFS) of CM/Pf alleviates PD symptoms (akinesia, sensorimotor neglect) as well as L‐Dopa‐induced dyskinesias. However, our observation that chronic L‐Dopa suppresses the antiparkinsonian benefits provided by CM/Pf‐HFS compromises the interest of this target for PD. At cellular level, CM/Pf‐HFS widely impacts the dopaminergic denervation‐induced changes in the BG, showing that CM/Pf is a key node for modulating BG function. Comparison of the behavioral and cellular effects of HFS of CM/Pf versus subthalamic nucleus, the currently preferred target for PD treatment, led us to suggest that their differential impact on akinesia and dyskinesia may be due to a selective action of CM/Pf‐HFS on entopeduncular nucleus (EP), the rodent homologous of internal globus pallidus, whose involvement in dyskinesia is already documented. In vivo electrophysiological recordings of CM/Pf neurons provided further support for the relationship between CM/Pf and dyskinesia. We also showed that the dopaminergic lesion resulted in a decreased gene expression of a metabolic marker of neuronal activity in the CM/Pf, which is completely normalized by HFS, providing the first evidence that HFS may be able to correct a decrease in activity of the targeted nucleus. Finally, given the close relationship between EP and CM/Pf and knowing that internal globus pallidus is a target for DBS in dystonia, we evaluated the effects of CM/Pf‐DBS in an animal model of this disorder, the dtsz hamster. We found that the stress induction of dystonia in this model is delayed by subchronic CM/Pf HFS whereas it is favored by low frequency stimulation providing evidence forthe involvement of CM/Pf in another BG‐related movement disorder.

La symptomatologie non motrice de la maladie de Parkinson s’accompagne fréquemment d’un défaut de contrôle cognitif. Le contrôle cognitif faisant référence à un ensemble de processus facilitant le traitement de l’information et la production de comportements adaptés, son altération impactera de très nombreuses capacités cognitives. Parmi ces capacités, nous nous intéresserons plus spécifiquement, d’une part, à la production orale de mots évaluée à travers les tests de fluences verbales et, d’autre part, aux processus favorisant la production d’actions intentionnelles en situation motivée comme évaluée par la Simon Task motivée. Par notre première étude nous remettrons en question l’hypothèse d’un défaut de contrôle cognitif comme origine principale de la réduction des performances aux tests de fluences verbales à la suite de la stimulation cérébrale profonde du noyau subthalamique. En effet, nous n’avons pas mis en évidence de relation entre cette altération et une modification de l’activité métabolique des régions frontales supportant le contrôle cognitif, ou une modification des performances à d’autres tests nécessitant un contrôle cognitif efficient. Les travaux suivant, portant sur le contrôle des actions motivées démontrent, d’une part, que la production d’actions guidées, non pas par des tendances d’actions impulsives, mais par des tendances d’actions en accord avec les intentions, est plus ardue lorsqu’une récompense financière est mise en jeu. D’autre part, le traitement de la maladie de Parkinson, aussi bien par dopathérapie que par stimulation cérébrale profonde du noyau sous-thalamique module le fonctionnement des processus impliqués, suggérant un rôle particulier des noyaux gris centraux. Nous discuterons des processus cognitifs et neuronaux impliqués et proposerons des perspectives de recherche aussi bien neuroscientifiques que cliniques. / The nonmotor symptoms of Parkinson’s disease frequently include a cognitive control deficit. Cognitive control refers to a set of processes that promote information processing and the production of appropriate behaviours, so its impairment can have an impact on a wide range of cognitive abilities. We focused on just two of these abilities: oral word production, as assessed with phonemic and semantic verbal fluency tests; and cognitive action control in an incentive context, as assessed with a rewarded Simon Task. In our first study, we questioned the hypothesis that the reduction in verbal fluency performances observed following surgery for subthalamic nucleus deep-brain stimulation is mainly due to a cognitive control deficit. Results failed to reveal a relationship between this reduction and either modified metabolic activity in the frontal regions subtending cognitive control or modified performances on other tests requiring efficient cognitive control. In our second and third studies, investigating cognitive action control in an incentive context, we showed that the production of intention-driven actions, as opposed to impulsive ones, is more difficult when a monetary reward is at stake. We also demonstrated that treatment for Parkinson’s disease, whether it takes the form of dopaminergic medication or subthalamic stimulation, modulates the functioning of these processes, suggesting that the basal ganglia have a role in them. We discuss the cognitive and neural processes involved and outline future avenues for both neuroscientific and clinical research.

L’objectif de cette thèse était de déterminer si différentes psychothérapies préopératoires, et notamment une prise en charge de restructuration cognitive, avaient un impact sur le profil psychiatrique et psychologique de patients parkinsoniens subissant une stimulation cérébrale profonde des noyaux sous thalamiques. On cherchait d’une part à montrer l’impact de cette prise en charge restructurative sur les variables psychiatriques (dépression, anxiété, apathie), la perception de la maladie et les attentes concernant le résultat de la chirurgie, le déploiement de stratégies de coping, la qualité de vie et l’adaptation sociale. On cherchait, d’autre part, à déterminer l’interaction entre les capacités neuropsychologiques et le bénéfice que les patients pouvaient retirer de la prise en charge restructurative. Il apparaît que la prise en charge psychothérapique préopératoire, surtout restructurative, permette aux patients de moduler leur perception de la maladie et leurs attentes du résultat de la chirurgie. Certaines variables de la qualité de vie, notamment des variables mentales, apparaissent également plus améliorées chez les patients ayant bénéficié de la restructuration cognitive. L’ensemble des patients présente une utilisation forte de stratégies d’adaptation basée sur le soutien instrumental en préopératoire, alors qu’ils utilisent davantage la stratégie d’adaptation basée sur l’accommodation à leurs troubles en postopératoire. Par ailleurs, il existe un lien entre les performances neuropsychologiques et le bénéfice de la prise en charge psychothérapique préopératoire, à savoir la préservation des capacités exécutives de déduction, d’adaptation à un feedback, de conceptualisation et de mémoire de travail ainsi qu’une préservation des capacités mnésiques épisodiques verbales, sont liées à un meilleur bénéfice de la prise en charge psychothérapique sur la perception de la maladie et les attentes du résultat de la chirurgie. On n’observe pas d’impact de la prise en charge préopératoire sur le profil psychiatrique ou l’adaptation sociale. / The purpose of this thesis was to determine the impact of different preoperative psychotherapies, particularly one based on cognitive restructuration, on the psychiatric and psychological profile of parkinson’s disease patients candidate to deep brain stimulation. On the one hand, we wanted to determine the impact of the restructurative therapy on psychiatric variables (depression, anxiety, apathy), disease perception, expectations for surgery, coping strategies, quality of life and social adjustment. On the other hand, we wanted to determine the possible interaction between neuropsychological variables and the impact of cognitiverestructuration. Parkinsonian patients can modulate their disease perception and their expectations toward the result of surgery, thanks to preoperative preparation, notably the restructurative one. Some quality of life variables, in particular the mental one, seem to be more improved after cognitive restructuration. The whole sample uses higher instrumental support preoperatively, whereas they use more accomodation strategy based on acceptation postoperatively. What is more, neuropsychological performances and impact of preoperative psychotherapy seem to be linked, as preservation of deducation, conceptualisation, feedback adaptation, working memory, are linked to a better impact of psychotherapy on disease perception and surgical expectations. No impact of preoperative preparation on psychiatric profile or social adjustment was observed.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) est actuellement un traitement efficace pour la maladie de parkinson. Cette approche est maintenant fortement envisagée pour le traitement des addictions. Elle consiste à délivrer des impulsions électriques au sein d’une structure cérébrale : le noyau subthalamique. Nous avons montré dans le noyau subthalamique l’existence de signatures associée à la transition vers l’addiction et la prise compulsive de drogue, ainsi que le potentiel thérapeutique de la SCP pour réduire la consommation pathologique et compulsive de cocaïne chez des rats. Nous avons également montré le contrôle spécifique du noyau subthalamique sur la motivation pour la nourriture sucrée et les drogues d’abus. Dans l’ensemble, cette thèse devrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes de la SCP, de son potentiel thérapeutique pour les addictions et de ses éventuels effets secondaires. / Deep brain stimulation (DBS) is currently one form of effective treatment for Parkinson’s disease. This approach is currently considered for the treatment of addiction. It consists in the delivery of small electric impulses inside a brain structure: the subthalamic nucleus. We have shown in the subthalamic nucleus the existence of signature associated with the transition to addiction and compulsive drug abuse, as well as the therapeutic potential of DBS to reduce pathological intake and compulsive cocaine abuse in rats. We also established the specific control exerted by the subthalamic nucleus on the motivation for sweet food and drug of abuse. Overall this thesis could allow a better understanding of the mechanisms of DBS, its therapeutic potential in addiction and possible side effects.