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.

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie. / Depression is a severe psychiatric disorder, in which a third of patients do not achieve remission, despite the wide variety of therapeutic strategies that are currently available. Brain stimulation has emerged as a promising alternative therapy in cases of treatment resistance. Vagus nerve stimulation (VNS) has shown promise in treating resistant-depressed patients, and it has been approved as an adjunctive treatment for resistant depression. However, the mechanism of action by which VNS exerts its antidepressant effects has remained elusive. The first goal of this thesis was therefore to characterize the impact of VNS on monoaminergic systems known to be implicated in the pathophysiology of depression such as serotonin (5-HT), norepinephrine (NE) and dopamine (DA), by means of electrophysiologic techniques and microdialysis in the rat brain. Previous research has indicated that one hour of VNS increased the basal firing activity of locus coeruleus NE neurons and, secondarily, that of 5-HT neurons, but only after 14 days of stimulation. Our work demonstrated that VNS also modified the firing pattern of NE neurons towards a bursting mode of discharge. This mode of firing was shown to lead to enhanced NE release in the prefrontal cortex and hippocampus after 14 days. Increased NE neurotransmission was also evidenced by enhanced tonic activation of postsynaptic α2-adrenoceptors in the hippocampus. Selective lesioning of NE neurons was then used to demonstrate that the effects of VNS on the 5-HT system were indirect, and mediated by the activation of α1-adrenoceptors located on the dorsal raphe 5-HT neurons. Similar to classical antidepressants, VNS also enhanced the tonic activation of pyramidal 5-HT1A heteroreceptors, which are known to play a key role in the antidepressant response. We also found that in spite of a diminished firing activity of ventral tegmental area DA neurons after VNS, extracellular DA levels were significantly elevated in the prefrontal cortex, and particularly in the nucleus accumbens which plays an important role in reward behavior and hedonia. A second objective was to characterize the optimal VNS parameters to treat depression using the firing activity of 5-HT neurons as an indicator. It was found that less stimulation was as effective as the standard levels to increase 5-HT neurons firing rate. These novel parameters could be helpful for clinical application in VNS responsive patients, to potentially minimize and/or even prevent stimulation-related side effects, thus improving their quality of life. In brief, these studies reveal an influence of VNS on all three central monoamine systems, which differs in part from that of classical antidepressants while contributing to the clinical efficacy of this approach. It will also be interesting to determine whether the proposed lower stimulation parameters are as effective in providing antidepressant response in patients receiving VNS, which should contribute to improve the clinical benefits of that therapy.

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie. / Depression is a severe psychiatric disorder, in which a third of patients do not achieve remission, despite the wide variety of therapeutic strategies that are currently available. Brain stimulation has emerged as a promising alternative therapy in cases of treatment resistance. Vagus nerve stimulation (VNS) has shown promise in treating resistant-depressed patients, and it has been approved as an adjunctive treatment for resistant depression. However, the mechanism of action by which VNS exerts its antidepressant effects has remained elusive. The first goal of this thesis was therefore to characterize the impact of VNS on monoaminergic systems known to be implicated in the pathophysiology of depression such as serotonin (5-HT), norepinephrine (NE) and dopamine (DA), by means of electrophysiologic techniques and microdialysis in the rat brain. Previous research has indicated that one hour of VNS increased the basal firing activity of locus coeruleus NE neurons and, secondarily, that of 5-HT neurons, but only after 14 days of stimulation. Our work demonstrated that VNS also modified the firing pattern of NE neurons towards a bursting mode of discharge. This mode of firing was shown to lead to enhanced NE release in the prefrontal cortex and hippocampus after 14 days. Increased NE neurotransmission was also evidenced by enhanced tonic activation of postsynaptic α2-adrenoceptors in the hippocampus. Selective lesioning of NE neurons was then used to demonstrate that the effects of VNS on the 5-HT system were indirect, and mediated by the activation of α1-adrenoceptors located on the dorsal raphe 5-HT neurons. Similar to classical antidepressants, VNS also enhanced the tonic activation of pyramidal 5-HT1A heteroreceptors, which are known to play a key role in the antidepressant response. We also found that in spite of a diminished firing activity of ventral tegmental area DA neurons after VNS, extracellular DA levels were significantly elevated in the prefrontal cortex, and particularly in the nucleus accumbens which plays an important role in reward behavior and hedonia. A second objective was to characterize the optimal VNS parameters to treat depression using the firing activity of 5-HT neurons as an indicator. It was found that less stimulation was as effective as the standard levels to increase 5-HT neurons firing rate. These novel parameters could be helpful for clinical application in VNS responsive patients, to potentially minimize and/or even prevent stimulation-related side effects, thus improving their quality of life. In brief, these studies reveal an influence of VNS on all three central monoamine systems, which differs in part from that of classical antidepressants while contributing to the clinical efficacy of this approach. It will also be interesting to determine whether the proposed lower stimulation parameters are as effective in providing antidepressant response in patients receiving VNS, which should contribute to improve the clinical benefits of that therapy.

L'étude de la conscience est un sujet d'investigation fascinant avec un large champ d'applications et d'implications. Les processus de la conscience peuvent être divisés en deux composantes indépendantes quoiqu'intimement liées : l'état conscient et le contenu conscient. L'état conscient correspond aux processus de variation de la vigilance, tandis que le contenu conscient fait référence aux expériences sensorielles perçues et manipulées dans un espace conscient. Bien que la conscience soit un élément essentiel de la cognition humaine, qui conditionne ce que les gens vivent et peuvent se remémorer, la légitimité et le bien-fondé de l'analyse scientifique et rigoureuse des corrélats neuronaux de la conscience soulèvent encore des débats houleux. Dans la première partie de cette thèse, j'utilise un célèbre paradigme de conflit sensorimoteur pour identifier des corrélats neuronaux de l'émergence de la conscience. Les travaux initiés par Torstein Nielsen (Nielsen 1963) ont démontré que la majorité des traitements sensorimoteurs s'effectuent sans nécessiter une analyse consciente. L'émergence de phénomènes conscients apparaissant à partir d'un seuil subjectif de conflit sensori-moteur appelé point d'égalité subjective. A partir d'enregistrements électroencéphalographiques, effectués chez une population de sujets adultes, il est possible d'identifier des sources d'activités corticales indépendantes des intensités des stimulations sensorielles expérimentées et spécifiques de l'émergence d'une sensation perçue consciemment. Ainsi, j'ai pu démontrer que le précuneus était une structure centrale dans les processus qui transforment un conflit sensorimoteur en une expérience consciente. J'ai également étudié ce phénomène d'un point de vue développemental en examinant les performances comportementales et des enregistrements EEG recueillies chez l'enfant. Bien que le moment de la correction du mouvement et la qualité du tracé de la trajectoire étaient similaires aux données mesurées chez les sujets adultes, le seuil de conscience motrice s'est montré plus élevé et l'activité du cortex pariétal n'a pas été retrouvée. En revanche, l'aire motrice supplémentaire a été identiée comme un corrélat important de l'émergence d'une sensation consciente d'un conflit sensorimoteur chez l'enfant. Dans une seconde partie, mes travaux ont été consacrés à l'hypothèse audacieuse qu'une stimulation électrique du nerf vague pourrait modifier l'état de conscience d'un patient se trouvant dans un état végétatif depuis 15 ans. Nous rapportons les effets bénéfiques observés après cette thérapeutique expérimentale au niveau comportemental, clinique et neurophysiologiques. Les enregistrements EEG et les méthodes de mesure de connectivité fonctionnelle m'ont permis d'observer chez ce patient une augmentation du partage d'informations corticales particulièrement importante dans les régions pariétales. L'effet de la stimulation a été également confirmé par d'autres méthodes. L'imagerie métabolique a montré une augmentation généralisée de l'activité corticale et sous-corticale et les évaluations cliniques par la CRS-R ont montré une amélioration de l'état de conscience corrélée aux observations électroencéphalographiques. Ces changements induits par la stimulation du nerf vague sont prometteurs car les modifications cérébrales observées sont caractéristiques de l'amélioration des états de conscience chez les patients gravement cérébrolésés. L'ensemble de ces résultats suggèrent que le lobe pariétal constitue à la fois un corrélat important de l'état de conscience et du contenu conscient, faisant de cette région une composante essentielle de l'émergence de la conscience. De plus, nos résultats préliminaires suggèrent que la conscience peut être, au moins partiellement, restaurée. Cette découverte ouvre de toutes nouvelles perspectives pour le futur des recherches en neurosciences où, l'hypothèse d'une modulation de la plasticité cérébrale avait été oubliée / The study of consciousness is a fascinating topic of investigation with a wide field of applications and implications. Consciousness processes can be divided into two orthogonal though intimately linked components: the conscious state, that is the state of vigilance or arousal, and the conscious content which refers to the external inputs perceived and manipulated in a conscious space. Although consciousness represents the most important human dimension where people's personal events are continuously experienced and remembered, it is somewhat surprising that its underlying neural processes still sparks lot of debates. In the first part of this PhD thesis, I took advantage from a well-known sensorimotor conflict paradigm, the Nielsen task, to investigate the neural correlates of the emergence of consciousness. Starting from the principle that much of motor processing occurs outside of awareness, I adapted the Nielsen paradigm to neurally investigate how the perception of a motor conflict in healthy subjects smoothly shifted along the unaware/aware state (i.e. point of subjective equality). Using EEG recordings, I then identify the brain sources which I consider the neural fingerprint of awareness. I found that the precuneus was critical for bringing the sensorimotor conflict into awareness. I also investigated this issue from a developmental perspective by examining the performance of healthy children. Although the timing of movement correction and the quality of movement trajectory in children was similar to adult subjects, motor awareness was shifted towards higher perception thresholds while parietal cortex activity was not found. Rather, children's response to conflict awareness was linked to SMA. After having addressed the topic of awareness in this first part, I will focus more on the second component, wakefulness. Usually these two components evolve together, however there are some pathological states in which they can be dissociated. It is the case for vegetative state patients who experience a state of wakefulness without awareness. In the second part of the thesis, I investigated the challenging hypothesis of a potential return to a conscious state, in a patient lying in a vegetative state for 15 years, after vagus nerve stimulation (VNS). We report beneficial effects of VNS including improved behavioural responsiveness and reinforced brain connectivity patterns as key signs of increased consciousness. The results showed an increase of information sharing a measure of functional connectivity particularly prominent across centro-posterior regions. Converging findings, coming from different methods, showed that VNS promoted the spread of cortical signals and metabolism which we found correlated with behavioural improvement as measured with the CRS-R scale. The VNS-induced changes are promising since they seem to follow an already known connectivity pattern characterizing state of consciousness improvements. Taken together, these findings indicate that the parietal lobe constitutes the neural correlate of both state and content-specific consciousness and suggest that this region is a "hot zone" for its emergence. Moreover, our first findings in a vegetative state patient also suggest that consciousness can be potentially repaired, thus opening the way to a new avenue of research in a domain where brain plasticity was underestimated

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 stimulation du nerf vague (SNV) a reçu l’approbation de Santé Canada en 2001, comme en Europe, pour le traitement de la dépression réfractaire et en 2005 aux États-Unis. Les études européennes et américaines rapportent un taux de réponse de 50% et de rémission de 30% après un an de traitement. La sélection des patients, encadrée par la recherche de marqueurs biologiques et des critères de résistance, pourrait contribuer à améliorer les taux de réponse. Cette étude décrit le suivi des patients ambulatoires souffrant de dépression réfractaire, d’un spectre unipolaire ou bipolaire (n=13) sous SNV. Une révision exhaustive de l’histoire médicale et thérapeutique précède une évaluation clinique intensive. Si un consensus d’équipe est obtenu, une investigation clinique à la recherche des marqueurs biologiques est effectuée. Ceci inclut une tomographie par émission de photons simples (SPECT), une tomographie par émission de positrons (TEP), une formule sanguine complète, un test de suppression à la dexaméthasone (DST), une collecte d’urine 24h (catécholamines et cortisol), une polysomnographie et une évaluation neuropsychologique abrégée. Après 1 an de traitement, 61,5% (8/13) des patients ont atteint le seuil de réponse (diminution de 50% des symptômes), dont 87.5% (7/8) en rémission. Les patients diagnostiqués d’un trouble bipolaire, présentant un DST anormal et/ou avec déficits cognitifs ont répondu au traitement et poursuivent leur rémission après 2 ans. Une sélection minutieuse des patients pour le SNV serait une méthode efficace pour traiter les dépressions réfractaires, notamment pour prévenir les rechutes, amenant un état euthymique durable pour la plupart des patients. / Since 2001, Vagus Nerve Stimulation (VNS) has been used in treatment-resistant depression (TRD) in Europe and Canada, and in 2005 in the USA. European and American studies have shown a 50% response rate and 30% remission rate respectively after one year. Patient selection, driven by biological correlates and resistance criteria, may contribute to improved response and remission rates. This naturalistic study describes the follow-up of outpatients with TRD in individuals with unipolar or bipolar spectrum disorder (type 1 or 2) (n=13) treated with VNS. An exhaustive review of the medical and treatment history precedes an intensive clinical evaluation consisting of an individual evaluation and a subsequent team evaluation. A consensus is pursued, and if reached, an investigation of putative biological correlates of depression follows. This include a single photon emission computed tomography (SPECT) and a positron emission tomography (PET), a brain magnetic resonance imaging (MRI), a complete blood count, a dexamethasone suppression test (DST), a 24h urine collection; a polysomnography, and a limited neuropsychological evaluation. After one year of treatment, 61,5% (8/13) responded to treatment with at least a 50% reduction of their symptoms. Of those who responded 87.5% (7/8) are in remission. All patients with bipolar disorder, and/or abnormal baseline DST and/or baseline memory deficit responded to VNS therapy and continue to be in remission at the 24 months mark. Careful selection of patients for VNS treatment can be a very effective method of treatment of TRD and subsequent prevention of relapse, resulting in a sustained normothymic state in most responders.

La stimulation du nerf vague (SNV) a reçu l’approbation de Santé Canada en 2001, comme en Europe, pour le traitement de la dépression réfractaire et en 2005 aux États-Unis. Les études européennes et américaines rapportent un taux de réponse de 50% et de rémission de 30% après un an de traitement. La sélection des patients, encadrée par la recherche de marqueurs biologiques et des critères de résistance, pourrait contribuer à améliorer les taux de réponse. Cette étude décrit le suivi des patients ambulatoires souffrant de dépression réfractaire, d’un spectre unipolaire ou bipolaire (n=13) sous SNV. Une révision exhaustive de l’histoire médicale et thérapeutique précède une évaluation clinique intensive. Si un consensus d’équipe est obtenu, une investigation clinique à la recherche des marqueurs biologiques est effectuée. Ceci inclut une tomographie par émission de photons simples (SPECT), une tomographie par émission de positrons (TEP), une formule sanguine complète, un test de suppression à la dexaméthasone (DST), une collecte d’urine 24h (catécholamines et cortisol), une polysomnographie et une évaluation neuropsychologique abrégée. Après 1 an de traitement, 61,5% (8/13) des patients ont atteint le seuil de réponse (diminution de 50% des symptômes), dont 87.5% (7/8) en rémission. Les patients diagnostiqués d’un trouble bipolaire, présentant un DST anormal et/ou avec déficits cognitifs ont répondu au traitement et poursuivent leur rémission après 2 ans. Une sélection minutieuse des patients pour le SNV serait une méthode efficace pour traiter les dépressions réfractaires, notamment pour prévenir les rechutes, amenant un état euthymique durable pour la plupart des patients. / Since 2001, Vagus Nerve Stimulation (VNS) has been used in treatment-resistant depression (TRD) in Europe and Canada, and in 2005 in the USA. European and American studies have shown a 50% response rate and 30% remission rate respectively after one year. Patient selection, driven by biological correlates and resistance criteria, may contribute to improved response and remission rates. This naturalistic study describes the follow-up of outpatients with TRD in individuals with unipolar or bipolar spectrum disorder (type 1 or 2) (n=13) treated with VNS. An exhaustive review of the medical and treatment history precedes an intensive clinical evaluation consisting of an individual evaluation and a subsequent team evaluation. A consensus is pursued, and if reached, an investigation of putative biological correlates of depression follows. This include a single photon emission computed tomography (SPECT) and a positron emission tomography (PET), a brain magnetic resonance imaging (MRI), a complete blood count, a dexamethasone suppression test (DST), a 24h urine collection; a polysomnography, and a limited neuropsychological evaluation. After one year of treatment, 61,5% (8/13) responded to treatment with at least a 50% reduction of their symptoms. Of those who responded 87.5% (7/8) are in remission. All patients with bipolar disorder, and/or abnormal baseline DST and/or baseline memory deficit responded to VNS therapy and continue to be in remission at the 24 months mark. Careful selection of patients for VNS treatment can be a very effective method of treatment of TRD and subsequent prevention of relapse, resulting in a sustained normothymic state in most responders.

La fibrillation auriculaire est le trouble du rythme le plus fréquent chez l'homme. Elle conduit souvent à de graves complications telles que l'insuffisance cardiaque et les accidents vasculaires cérébraux. Un mécanisme neurogène de la fibrillation auriculaire mis en évidence. L'induction de tachyarythmie par stimulation du nerf médiastinal a été proposée comme modèle pour étudier la fibrillation auriculaire neurogène. Dans cette thèse, nous avons étudié l'activité des neurones cardiaques intrinsèques et leurs interactions à l'intérieur des plexus ganglionnaires de l'oreillette droite dans un modèle canin de la fibrillation auriculaire neurogène. Ces activités ont été enregistrées par un réseau multicanal de microélectrodes empalé dans le plexus ganglionnaire de l'oreillette droite. L'enregistrement de l'activité neuronale a été effectué continument sur une période de près de 4 heures comprenant différentes interventions vasculaires (occlusion de l'aorte, de la veine cave inférieure, puis de l'artère coronaire descendante antérieure gauche), des stimuli mécaniques (toucher de l'oreillette ou du ventricule) et électriques (stimulation du nerf vague ou des ganglions stellaires) ainsi que des épisodes induits de fibrillation auriculaire. L'identification et la classification neuronale ont été effectuées en utilisant l'analyse en composantes principales et le partitionnement de données (cluster analysis) dans le logiciel Spike2. Une nouvelle méthode basée sur l'analyse en composante principale est proposée pour annuler l'activité auriculaire superposée sur le signal neuronal et ainsi augmenter la précision de l'identification de la réponse neuronale et de la classification. En se basant sur la réponse neuronale, nous avons défini des sous-types de neurones (afférent, efférent et les neurones des circuits locaux). Leur activité liée à différents facteurs de stress nous ont permis de fournir une description plus détaillée du système nerveux cardiaque intrinsèque. La majorité des neurones enregistrés ont réagi à des épisodes de fibrillation auriculaire en devenant plus actifs. Cette hyperactivité des neurones cardiaques intrinsèques suggère que le contrôle de cette activité pourrait aider à prévenir la fibrillation auriculaire neurogène. Puisque la stimulation à basse intensité du nerf vague affaiblit l'activité neuronale cardiaque intrinsèque (en particulier pour les neurones afférents et convergents des circuits locaux), nous avons examiné si cette intervention pouvait être appliquée comme thérapie pour la fibrillation auriculaire. Nos résultats montrent que la stimulation du nerf vague droit a été en mesure d'atténuer la fibrillation auriculaire dans 12 des 16 cas malgré un effet pro-arythmique défavorable dans 1 des 16 cas. L'action protective a diminué au fil du temps et est devenue inefficace après ~ 40 minutes après 3 minutes de stimulation du nerf vague. / Atrial fibrillation is the most frequent sustained rhythm disorder in humans and often leads to severe complications such as heart failure and stroke. A neurogenic mechanism of atrial fibrillation has been hypothesized. Tachyarrhythmia induction by mediastinal nerve stimulation has been proposed as a model to study neurogenic atrial fibrillation. In this thesis, we studied the activity of intrinsic cardiac neurons and their interactions inside the right atrium ganglionated plexus in a canine model of neurogenic atrial fibrillation. These activities were recorded by a multichannel microelectrode array that was paled into the right atrium ganglionated plexus. The recording was done for up to 4 hours and it covered the neuronal activity during different interventions such as vascular (aorta occlusion, inferior vena cava occlusion, left anterior descending coronary artery occlusion), mechanical (touching atrium and ventricle) and electrical (stimulating of vagus nerve or stellate ganglion) stimuli as well as atrial fibrillation induction. Neuronal identification and classification were done using the principal component analysis and cluster on measurements analysis in Spike2 software. New method based on principal component analysis was proposed to cancel superimposed atrial activity on neuronal signal to increase the accuracy of the neuronal response identification and classification. Based on the neuronal response, we defined subtypes of neurons (afferent, efferent and local circuit neurons) and their related activity to different stressors which provided a more detailed description of the intrinsic cardiac nervous system. The majority of recorded neurons reacted to episodes of atrial fibrillation by becoming more active. This hyperactivity of intrinsic cardiac neurons during atrial fibrillation suggested that controlling that activity might help preventing neurogenic atrial fibrillation. Since low-level vagus nerve stimulation obtunds the intrinsic cardiac neuronal activity (especially for afferent and convergent local circuit neurons), we investigated whether this intervention could be applied as a therapy for atrial fibrillation. Our results showed that right vagus nerve stimulation was able to mitigate atrial fibrillation in 12 of 16 cases and showed an adverse pro-arrhythmic effect in 1 of 16 cases. The protective action however decreased over time and became ineffective after ~40 minutes for 3 minutes vagus nerve stimulation.

La stimulation électrique neurale, appliquée au système nerveux périphérique pour la restauration des fonctions motrices ou la neuromodulation, est une technologie en plein essor, en particulier la stimulation implantée avec des électrodes Cuff positionnées autour d’un nerf périphérique. Le principal frein au développement des systèmes de stimulation est la difficulté à obtenir la stimulation ou l’inhibition des fonctions cibles de manière précise et indépendante, c’est-à-dire, obtenir une sélectivité des fonctions. Les paramètres impliqués dans la sélectivité au sens large ne sont pas toujours intuitifs, et le nombre de degrés de libertés (choix de l’électrode, nombre de contacts, forme du pulse etc.) est important. Tester toutes ces hypothèses en expérimentation n’est pas faisable et inenvisageable dans le réglage des neuroprothèses en contexte clinique. La modélisation a priori nous permet d’établir des critères de choix, de déterminer les stratégies les plus efficaces et de les optimiser. Par ailleurs, un grand nombre d’études ont pu prévoir des stratégies de sélectivité inédites grâce à la modélisation, et validées a posteriori par l’expérimentation. Le schéma de calcul scientifique est composé de deux parties. On modélise, d’une part, la propagation du champ de potentiels électriques générés par les électrodes à l’intérieur d’un volume conducteur représentant le nerf (étude biophysique), et d’autre part l’interaction entre ce champ de potentiels et les neurones (réponse électrophysiologique). Notre première contribution propose une méthode originale de modélisation et d’optimisation de la sélectivité spatiale avec une électrode Cuff, sans connaissance a priori de la topographie de nerf. Partant de ce constat, nous déterminons de nouveaux critères, l’efficacité et la robustesse, complémentaires à la sélectivité, nous permettant de faire un choix entre des configurations multipolaires concurrentes. Ainsi, en fonction de la pondération de ces critères, nous avons développé un algorithme d’optimisation pour déterminer la configuration optimale en fonction de la zone choisie, du diamètre des fibres visées ainsi que de la durée de stimulation, pour un pulse type rectangulaire de référence. Des expérimentations sur modèle animal nous ont permis d’évaluer l’efficacité de la méthode et sa généricité. Ce travail est partie intégrante d’un projet plus vaste de stimulation du nerf vague (projet INTENSE), où l’une des applications concerne le traitement des troubles cardiaques. L’objectif est d’activer sélectivement une population spécifique de fibres nerveuses pour obtenir des effets plus ciblés conduisant à une thérapie améliorée, tout en diminuant les effets secondaires. La deuxième contribution consiste à combiner la sélectivité spatiale et la sélectivité au diamètre de fibre avec un modèle générique de nerf et une électrode Cuff à 12 contacts. L’utilisation d’une forme d’onde particulière (prépulse) combinée avec des configurations multipolaires permet d’activer des fibres d’un diamètre défini dans un espace ciblé. Les perspectives cliniques sont nombreuses, notamment sur la réduction de la fatigue liée à l’utilisation prolongée de la stimulation ou la diminution des effets secondaires. Dans le cadre du projet INTENSE, la seconde application liée à la stimulation du nerf vague vise le problème de l’obésité morbide. L’activation des axones cibles liés aux fonctions gastriques nécessite une quantité de charges conséquente. Plusieurs études suggèrent que les formes de pulse non rectangulaires peuvent activer les axones du système nerveux périphérique avec une quantité de charges réduite comparée à la forme de pulse rectangulaire de référence. Notre dernière contribution concerne l’étude expérimentale et de modélisation de ces formes d’ondes complexes. L’approche par modélisation, si elle est bien maîtrisée, apporte une analyse pertinente voire même indispensable au réglage clinique des neuroprothèses. / Neural electrical stimulation, applied to the peripheral nervous system for motor functions restoration or neuromodulation, is a thriving technology, especially implanted stimulation using Cuff electrodes positioned around a peripheral nerve. The main obstacle to the development of stimulation systems is the difficulty in obtaining the independent stimulation or inhibition of specific target functions (i.e. functional selectivity). The parameters involved in selectivity are not always intuitive and the number of degrees of freedom (choice of electrode, number of contacts, pulse shape etc.) is substantial. Thus, testing all these hypotheses in a clinical context is not conceivable. This choice of parameters can be guided using prior numerical simulations predicting the effect of electrical stimulation on the neural tissue. Numerous studies developed new strategies to achieve selectivity based on modeling results that have been validated a posteriori by experimental works. The computation scheme is composed of two parts : the modeling of the potential field generated by the electrodes inside a conductive medium representing the nerve on the one hand; and the determination of the interaction between this field of potentials and neurons on the other. Our first contribution is an original method of modeling and optimization of the spatial selectivity with a Cuff electrode, without prior knowledge of the nerve topography. Based on this observation, we determined new criteria, efficiency and robustness, complementary to selectivity, allowing us to choose between multipolar configurations. Thus, according to the weighting applied to these criteria, we developed an optimization algorithm to determine the optimal configuration as a function of the target zone, fiber diameter and the stimulation duration for a typical rectangular pulse. Experiments on animal model allowed us to evaluate the effectiveness and genericness of the method. This work was performed as part of a larger project on vagus nerve stimulation (INTENSE project) in which one of the applications focused on the treatment of cardiac disorders. The main objective was to selectively activate a specific population of nerve fibers to improve therapy and decrease side effects. In a second contribution, numerical simulations were used to investigate the combination of multipolar configurations and the prepulses technique, in order to obtain fiber recruitment in a spatially reverse order. The main objective was to achieve both spatial and fiber diameter selectivity. Expected clinical perspectives of this work are the reduction of fatigue related to a prolonged use of stimulation and the reduction of side effects. Within the framework of the INTENSE project, the second application investigated vagus nerve stimulation as a therapy for morbid obesity. Activation of target axons related to gastric functions requires a significant amount of charge injection. Several studies suggest that non-rectangular waveforms can activate axons of the peripheral nervous system with a reduced amount of charge compared to the reference rectangular pulse shape. Our last contribution focuses on the experimental study and the modeling of these complex waveforms. The modeling approach, if performed properly and while bearing in mind its limits, provides a relevant and even indispensable analysis tool for the clinical adjustment of neuroprostheses.