La métabolomique a pour objet l’identification et la quantification de métabolites dans un échantillon biologique. Cette discipline s’inscrit dans une approche du vivant connue sous le terme de « biologie des systèmes ». La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire haute résolution à l’angle magique (RMN HRMAS) est une méthode de choix pour l’obtention de ce type de profilage métabolique. L’épilepsie du lobe temporal (ELT) est une épilepsie focale fréquente associée le plus souvent à des pertes neuronales sélectives, une gliose réactionnelle et une plasticité cellulaire spécifique. Bien que restant débattue, une origine neurométabolique reste un axe de recherche majeur. A ce jour une caractérisation métabolomique des tissus épileptogènes par RMN HRMAS reste à effectuer. Notre travail a consisté dans un premier temps à caractériser, chez le rat, les effets des méthodes de prélèvement et de fixation sur le métabolome cérébral dans le cadre des acquisitions RMN HRMAS. Dans un second temps, nous avons travaillé sur le modèle animal lithium-pilocarpine d’ELT. Nous avons pu décrire le métabolome issu des données RMN 1H HRMAS de différentes structures cérébrales impliquéesdans l’épileptogénèse. Des analyses multivariées de type PLS-DA ont pu mettre en évidence des profils métaboliques pathologiques au sein du cortex entorhinal et de l’hippocampe. A l’aide de substrats marqués au carbone 13 ([1-13C]glucose et de [1,2-13C]acétate) nous avons étudié les voies métaboliques neuronales et gliales. Nos résultats suggèrent l’absence d’anomalies métaboliques au sein des astrocytes. Enfin dans un dernier temps, nous avons effectué des analyses RMN 1H HRMAS sur près de 200 échantillons cérébraux de patients atteints d’ELT. Une analyse multivariée a permis de distinguer les profils métaboliques des hippocampes sclérosés et non sclérosés. En revanche la construction de modèles sur la base d’hypothèses clinico métaboliques (durée de la maladie, fréquence de crises, antécédents de convulsions fébriles) n’a pas permis d’identifier de profils métaboliques spécifiques. L’ensemble de ces données suggère l’existence de profils métabolomiques distincts en fonction des caractéristiques neuropathologiques des patients atteints d’ELT. Notre travail confirme la nécessité d’une approche intégrée de type « biologie des systèmes » pour l’étude de l’ELT aussi bien chez l’homme que dans des modèles animaux. / Metabolomics relates to the identification and quantification of metabolites in biological samples. This discipline is part of an approach known under the term of "systems biology". High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy at Magic Angle Spinning (HRMAS NMR) is a method for obtaining metabolic profiling in such sample. Temporal Lobe Epilepsy (TLE ) is a common focal epilepsy often associated with selective neuronal loss, reactive gliosis and specific cellular plasticity. A neurometabolic origin of this epilepsy is a major area of research. To date no characterization of human cerebral biopsy from TLE patients has been conducted using HRMAS NMR. In the present work we aimed first at characterizing, in rats, the effects of sampling methods and fixation on brain metabolome under HRMAS NMR acquisitions. In a second step, we studied the lithium-pilocarpine model of TLE. In this model, we could describe the metabolome from HRMAS 1H NMR data of different brain structures involved in epileptogenesis. Multivariate analysis could highlight pathological metabolic profiles in the entorhinal cortex and hippocampus. Using substrates labeled with carbon 13 ( [1 -13C ]-glucose and [1,2-13C ]-acetate) we studied neuronal and glial metabolic pathways. Our results suggest the absence of metabolic abnormalities in astrocytes metabolism as previously reported. Finally, we conducted HRMAS 1H NMR analysis in nearly 200 brain samples from TLEpatients. Multivariate analysis was able to distinguish metabolic profiles between sclerotic and non sclerotic hippocampi. However mutlivariate models based on clinico- metabolic assumptions (disease duration, frequency of seizures, history of febrile seizures ) did not identify specific metabolic profile. All these data suggest the existence of distinct metabolomic profile based on neuropathological features of patients with TLE. Our work confirm the need of an integrated approach such as " systems biology" for the study of TLE in humans as long as in animal models.

Racional: A epilepsia do lobo temporal está comumente associada à farmacorresistência e tem a esclerose hipocampal como achado neuropatológico em mais da metade dos casos. Histologicamente, a esclerose hipocampal está associada à perda neuronal diferencial e gliose, além de alterações nos níveis de moléculas associadas à homeostase da água tecidual, como a aquaporina 4 e a molécula de matriz sulfato de condroitina. Em imagens de ressonância nuclear magnética, a esclerose é caracterizada por redução de volume em sequências ponderadas em T1, aumento de sinal e tempo de relaxamento em sequências ponderadas em T2 e redução na transferência de magnetização. Justificativa e Objetivos: Uma vez que tanto o sinal T2 quando a transferência de magnetização são dependentes da água tecidual, nosso objetivo é avaliar, na formação hipocampal de pacientes com epilepsia do lobo temporal, as correlações entre populações celulares e moléculas ligadas à homeostase da água e as imagens ponderadas em T2 e transferência de magnetização. Visamos ainda definir, na formação hipocampal de indivíduos sem alterações neuropatológicas, o volume de cada um dos subcampos hipocampais. Metodologia: Pacientes com epilepsia do lobo temporal farmacorresistente (ELT, n = 43), bem como voluntários sadios (controle radiológico, CH, n = 20), foram submetidos a exames de ressonância magnética em máquina de 3T para mensuração da volumetria hipocampal, tempo de relaxamento T2 e transferência de magnetização hipocampal (exames in vivo). Após o tratamento cirúrgico para o controle das crises, os hipocampos dos pacientes com ELT foram fixados por 8 dias e submetidos aos exames ex vivo em máquina de 3T para cálculo do tempo de relaxamento T2 de cada subcampo hipocampal. Hipocampos controle (Controle historadiológico, CHR, n = 14), foram obtidos de autópsias de pacientes sem histórico ante-mortem de doença neurológica ou presença de patologia no exame do encéfalo pos mortem. Ambos os grupos controle foram pareados para idade em relação ao grupo ELT. Alguns dos casos CHR (n = 6) foram também submetidos à imagem 3D T2 em máquina de 4,7T para cálculo de volumetria dos subcampos hipocampais. Após emblocamento em parafina, secções coronais hipocampais dos casos CHR e ELT foram submetidas às técnicas de histoquímica básica Hematoxilina e Eosina e Luxol Fast Blue, e às imuno-histoquímicas para avaliação das populações neuronais (NeuN), astrócitos reativos (GFAP), micróglias ativadas (HLA-DR) e para a expressão de aquaporina 4 (AQP4) e níveis de sulfato de condroitina (CS-56). Para a comparação entre os grupos, foram realizados testes t para dados paramétricos e Mann-Whitney para dados não-paramétricos. Testes de correlação foram empregados para análise da associação entre as avaliações histológicas e os exames de ressonância magnética. Resultados: Pacientes com ELT apresentaram menor volume hipocampal, maior tempo de relaxamento T2 e menor transferência de magnetização no exame in vivo, quando comparados com o CR. O exame ex vivo para a volumetria dos subcampos hipocampais em casos do grupo CHR indicou que a fascia dentata, a região CA1 e o subículo correspondem à 85 % do volume hipocampal total. Quanto ao tempo de relaxamento T2 ex vivo, foi observado aumento em todos os subcampos hipocampais do grupo ELT, à exceção da fascia dentata, quando comparados ao CHR. A avaliação da densidade neuronal indicou redução significativa em todos os subcampos dos casos ELT, à exceção do subículo, quando comparados ao CHR. Em relação aos valores do grupo CHR, foi observada astrogliose em quase todos subcampos da formação hipocampal (a exceção da zona subgranular e do hilo) e microgliose em todos os subcampos (exceto pelo subículo) dos casos com ELT. Pacientes com ELT apresentaram redução na expressão de aquaporina 4 perivascular em todos os subcampos do hipocampo, comparados ao CHR. Aumento nos níveis de sulfato de condroitina foi observado em todos os subcampos da formação hipocampal, à exceção da camada granular, nos pacientes com ELT. O volume hipocampal e a transferência de magnetização in vivo dos pacientes com ELT correlacionaram-se tanto com a população neuronal como com os níveis de sulfato de condroitina, enquanto que o tempo de relaxamento in vivo correlacionou-se com a população astroglial e os níveis de sulfato de condroitina. O exame ex vivo corroborou a correlação entre a população glial e o tempo de relaxamento observado nos pacientes com ELT. A diferença entre o tempo de relaxamento in vivo e ex vivo correlacionou-se tanto com a difusibilidade da água no tecido como com os níveis de sulfato de condroitina. Conclusões: Nossos dados indicam correlação entre a patologia hipocampal e as imagens de ressonância nuclear magnética, sendo que a maior qualidade das imagens ex vivo permitiu uma avaliação mais direta entre o sinal de ressonância e a patologia, indicando importância da população celular e matriz extracelular para o volume hipocampal e a transferência de magnetização, e da astrogliose para o tempo de relaxamento T2. Finalmente, nossos dados mostraram que CA1, subículo e fascia dentata tem grande participação no volume hipocampal, sendo que alterações nestas regiões tem um papel mais relevante nas alterações observadas na ressonância magnética, como indicado por nossas correlações. / Rationale: Drug resistant temporal lobe epilepsy is often associated with hippocampal sclerosis. Histological evaluation reveals differential neuronal loss, gliosis and changes in molecules associated with water homeostasis, such as aquaporin 4 and chondroitin sulfate. Magnetic resonance imaging in these cases often reveals hippocampal atrophy, increased T2 signal and T2 relaxation and reduced magnetization transfer ratio in the hippocampus. Aims: Once both T2 signal and magnetization transfer are affected by tissue water, our goal was to evaluate, in the hippocampus of drug-resistant temporal lobe epilepsy patients who underwent surgery for seizure control, the associations between cellular populations, aquaporin 4 and chondroitin sulfate with T2 relaxation time and magnetization transfer. Additionally, we intended to measure the individual volume of each hippocampal subfield in hippocampus from patients without neurological disease. Methods: Patients with drug-resistant temporal lobe epilepsy (TLE, n = 43) and age-matched health volunteers (radiological control, RC, n = 20) were submitted to magnetic resonance in a 3T machine for hippocampal volumetry measure, T2 relaxation and magnetization transfer (in vivo examination). After surgical treatment for seizure control, hippocampi from the TLE patients were fixed in formalin for 8 days and then submitted to ex vivo imaging in 3T for relaxation time of every hippocampal subfield. Control hippocampi were obtained from autopsies of age-matched patients without ante mortem history of neurological disease or post mortem neurological pathology, and underwent the same ex vivo imaging (histo-radiological control, HRC, n = 14). Six cases from the HRC underwent 3D T2 imaging in a 4.7T machine, in order to measure the volumes of the hippocampal subfields. Paraffin embedded hippocampal sections from TLE and HRC were submitted to Hematoxilin-Eosin and Luxol Fast Blue histochemistries, and to immunohistochemistries for the evaluation of neurons (NeuN), reactive astrocytes (GFAP), activated microglia (HLA-DR), for aquaporin 4 (AQP4) and for chondroitin sulfate (CS-56). Students t-test or Mann-Whitneys test were performed for comparison between groups, and correlation tests were performed for the comparison between histological and magnetic resonance measures. Results: Patients with TLE presented reduced hippocampal volume, increased T2 relaxation time and reduced magnetization transfer, when compared to RC. The ex vivo volumetry of the hippocampal subfields revealed that fascia dentata, CA1 and subiculum together correspond to 85 % of the total hippocampal volume. Ex vivo relaxation time, as the in vivo, were increased in the subfields of TLE patients, when compared to HRC. Compared to HRC, TLE patients presented neuron loss and microgliosis in all hippocampal subfields but the subiculum, and astrogliosis in all hippocampal subfields but the subgranule zone and the hilus. Reduced perivascular aquaporin 4 was observed in all hippocampal subfields of TLE patients, and increased chondroitin sulfate was observed in all hippocampal subfields, with the exception of granule cell layer, of TLE patients, when compared to HRC. In TLE, both in vivo hippocampal volume and magnetization transfer correlated with the levels of chondroitin sulfate and the neuronal population, whereas the in vivo relaxation time correlated with the astroglial population and the levels of chondroitin sulfate. Ex vivo relaxation time also correlated with the astroglial population in TLE patients. The difference between in vivo and ex vivo relaxation values correlated with water difusibility and the levels of chondroitin sulfate. Conclusion: Our data indicate the importance of neuron population and extracellular matrix to both hippocampal volume and magnetization transfer, and of the reactive astrocytes for T2 relaxation. Ex vivo relaxation time allowed a more detailed evaluation, and indicated more robust correlations between reactive astrocytes and T2 relaxation. Finally, Our data indicated that CA1, the subiculum and fascia dentata are the major contributors to hippocampal volume, so changes in these subfields most likely will affect magnetic resonance imaging.

Le gyrus denté occupe une position clé au sein du lobe temporal des mammifères en constituant le point de contrôle entre le système néocortical et le système hippocampique. Considéré comme la porte de l'hippocampe, le gyrus denté filtre les activités excitatrices en provenance du cortex entorhinal grâce à la décharge éparse des cellules granulaires. Ce type de codage neuronal lui confère également un rôle déterminant dans les mécanismes de l'apprentissage et de la mémoire lors de la distinction d'évènements similaires mais différents, en permettant la décorrélation des patrons d'activité corticale. Grâce à un ensemble de propriétés structurales et fonctionnelles, les cellules granulaires du gyrus denté génèrent des évènements synaptiques extrêmement rapides restreignant leur fenêtre temporelle d'intégration et leur permettant de jouer le rôle de détecteurs de coïncidence. Au cours d'une épilepsie du lobe temporal (ELT), l'hippocampe présente d'importantes altérations de codage neuronal qui pourraient participer aux troubles cognitifs décrits chez les patients et les modèles animaux. Dans ces conditions pathologiques, les axones des cellules granulaires du gyrus denté (les fibres moussues) bourgeonnent et établissent des synapses aberrantes au niveau d'autres cellules granulaires, créant ainsi un puissant réseau excitateur récurrent. Ces fibres moussues récurrentes convertissent la nature de la transmission glutamatergique car elles opèrent via des récepteurs kaïnate générant des potentiels post-synaptiques à cinétique lente, absents en condition contrôle. / The dentate gyrus plays a major role at the gate of the hippocampus, filtering incoming information from the entorhinal cortex. A fundamental coding property of dentate granule cells (DGCs) is their sparse firing. Indeed, they behave as a coincidence detector due to the fast kinetics of excitatory synaptic events restricting integration of afferent inputs to a narrow time window. In temporal lobe epilepsy (TLE), the hippocampus displays important coding alterations that may play a role in cognitive impairments described in patients and animal models. However, the cellular mechanisms remain poorly understood. In animal models of TLE and human patients, neuronal tissue undergoes major reorganization; some neurons die whereas others, which are severed in their inputs or outputs, sprout and form novel aberrant connections. This phenomenon, called reactive plasticity, is well documented in the dentate gyrus where DGC axons (the mossy fibres) sprout and create a powerful excitatory network between DGCs. We recently showed that in addition to the axonal rewiring, recurrent mossy fibres convert the nature of glutamatergic transmission in the dentate gyrus because they operate via long-lasting kainate receptor (KAR)-mediated EPSPs (EPSPKA) not present in the naive condition.

Le but de ce travail de thèse a été de caractériser in vivo chez l’Homme, la connectivité cérébrale sur son versant fonctionnel, par le biais de deux techniques: la stéréoélectroencéphalographie (SEEG) et l’IRM fonctionnelle (IRMf) de repos. Ces travaux se sont intégrés dans le cadre du bilan préchirurgical des épilepsies du lobe temporal pharmacorésistantes, dont le but est de déterminer la zone épileptogène à réséquer pour traiter ces patients. Alors que plusieurs études en électrophysiologie ont montré que durant les crises, il existait une synchronisation anormalement élevée entre les structures impliquées dans les processus épileptogènes, aucune donnée de connectivité n’était disponible en période intercritique. Pourtant, la période intercritique est le siège d’anomalies interictales enregistrées en EEG, de profonds remaniements morphologiques, et est associée à des troubles cognitifs. Nous apportons avec ce travail, grâce au recueil et au traitement de signaux SEEG et IRMf enregistrés durant la période intercritique, de nouvelles connaissances i) sur l’organisation de la connectivité fonctionnelle basale (CFB) chez les sujets sains ; ii) sur les altérations de la CFB chez des groupes de patients mais également au niveau individuel ; iii) sur le rapport entre ces anomalies de CFB et les troubles cognitifs observés chez ces patients ; iv) enfin, sur les différences et les similitudes de la CFB évaluée par SEEG et IRMf chez les mêmes sujets, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la compréhension des relations entre le signal BOLD et le signal EEG. / The aim of this thesis was to characterize the Human brain functional connectivity in vivo based on signals recorded using stereoelectroencephalography (SEEG) and resting-state functional MRI (fMRI). This work was conducted during the presurgical assessment of drug resistant temporal lobe epilepsy, which aims at determining the epileptogenic zone to be removed to treat these patients. While several electrophysiological studies have shown high synchronization between structures involved in the epileptogenic process during seizure, no similar connectivity data was available during inter-critical period. However, the interictal period is characterized by spikes recorded on EEG, morphological alterations and cognitive impairment. By analyzing fMRI and SEEG signals recorded during the interictal period, this work provides new insights into, i) basal functional connectivity (BFC) organization in healthy subjects, ii) BFC alterations in patients groups but also at the individual level, iii) the relationship between these BFC abnormalities and cognitive impairment observed in these patients; iv) the differences and similarities of BFC evaluated by SEEG and fMRI in the same subjects, thus opening up new perspectives in better understanding of relationships between BOLD and SEEG signal coupling.

Assessing complex brain activity as a function of the type of epilepsy and in the context of the 3D source of seizure onset remains a critical and challenging endeavor. In this dissertation, we tried to extract the attributes of the epileptic brain by looking at the modular interactions from scalp electroencephalography (EEG). A classification algorithm is proposed for the connectivity-based separation of interictal epileptic EEG from normal. Connectivity patterns of interictal epileptic discharges were investigated in different types of epilepsy, and the relation between patterns and the epileptogenic zone are also explored in focal epilepsy. A nonlinear recurrence-based method is applied to scalp EEG recordings to obtain connectivity maps using phase synchronization attributes. The pairwise connectivity measure is obtained from time domain data without any conversion to the frequency domain. The phase coupling value, which indicates the broadband interdependence of input data, is utilized for the graph theory interpretation of local and global assessment of connectivity activities. The method is applied to the population of pediatric individuals to delineate the epileptic cases from normal controls. A probabilistic approach proved a significant difference between the two groups by successfully separating the individuals with an accuracy of 92.8%. The investigation of connectivity patterns of the interictal epileptic discharges (IED), which were originated from focal and generalized seizures, was resulted in a significant difference ( ) in connectivity matrices. It was observed that the functional connectivity maps of focal IED showed local activities while generalized cases showed global activated areas. The investigation of connectivity maps that resulted from temporal lobe epilepsy individuals has shown the temporal and frontal areas as the most affected regions. In general, functional connectivity measures are considered higher order attributes that helped the delineation of epileptic individuals in the classification process. The functional connectivity patterns of interictal activities can hence serve as indicators of the seizure type and also specify the irritated regions in focal epilepsy. These findings can indeed enhance the diagnosis process in context to the type of epilepsy and effects of relative location of the 3D source of seizure onset on other brain areas.

Structural and diffusion imaging patterns that can be evaluated using MRI in patients with cognitive deficits are the central theme of the proposed work. First, the clinical and neuroimaging background of dementias has been reviewed in a broader context, with a special focus on Alzheimer's disease (AD) and differential diagnoses. The second part of this thesis contains four consecutive experimental studies. The primary objective of the first two studies was to obtain structural and microstructural information on the neurodegenerative processes characteristic for AD on global and regional levels. For this purpose, several complementary approaches were used and the focus was shifted from grey to white matter (GM/WM). The following two studies focused on the differential context of WM microstructural alterations in normal pressure hydrocephalus (NPH) and distinctive patterns of WM disintegrity in temporal lobe epilepsy (TLE). The most important conclusion of our studies is that structural and diffusion imaging proved to be useful in identifying regionally specific and disproportionate loss of brain volume and microstructure in several pathological processes underlying cognitive deterioration. The use of distinctive morphometric methods yielded complementary information on AD-related atrophy patterns,...

Des preuves cumulatives soutiennent le rôle de l'insula dans la régulation autonomique cardiaque et son dysfonctionnement pourrait être impliqué dans la physiopathologie de la mort subite et inexpliquée en épilepsie (MSIE –SUDEP en anglais). La variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) est un outil simple et fiable pour évaluer la fonction autonomique; il est également considéré comme un prédicteur potentiel de la tachycardie ventriculaire et de la mort subite chez les patients après un infarctus du myocarde. Au cours des deux dernières décennies, la VFC a suscité beaucoup d'intérêt dans le monde de l'épilepsie. Toutefois, même si plusieurs études ont tenté d'évaluer les changements de VFC dans différentes formes d'épilepsie, les résultats ont été hétérogènes voire paradoxaux de sorte que son utilité en tant que marqueur de la MSIE est loin d’être concluant. Notons que la majorité des études ont porté sur l’épilepsie temporale. Aucune étude n’a étudié les changements de la fonction autonomique cardiaque dans l'épilepsie insulo-operculaire (EIO). Il est encore incertain si une chirurgie d’épilepsie insulaire peut accélérer la dysfonction autonomique inhérente. Dans cette étude, nous visons à étudier les changements de la VFC interictale chez les patients avec EIO. Nous avons en outre évalué l'effet de la chirurgie insulo-operculaire sur ces modifications de la VFC. Quatorze patients avec une EIO et un bon résultat post-chirurgie insulo-operculaire (Engel I-II) ont été recrutés pour cette étude. Quatorze patients appariés pour l'âge et le sexe atteints d'épilepsie du lobe temporal (ELT) et exempts de crise après une lobectomie temporale antérieure et 28 individus en bonne santé appariés selon l'âge et le sexe ont également été identifiés pour les besoins de l’étude. La VFC dans le domaine temporel RMSSD (root mean square of successive RR interval differences, pNN50 (percentage of successive RR intervals that differ by more than 50ms) et le domaine fréquentiel LF (low frequency) et HF (high frequency) ont été étudiés dans les périodes préopératoire et postopératoire (6-204 mois). La VFC avant la chirurgie des patients épileptiques fut calculée à partir des enregistrements EKG obtenus simultanément aux enregistrements vidéo-EEGs effectués dans le cadre de leur évaluation préchirurgicale. La VFC après la chirurgie fut calculée chez tous les patients et les sujets sains à partir d’un EKG de repos d'une durée d’une heure au laboratoire. Le score d’inventaire des risques de MSIE (le score SUDEP-7) a été calculé à partir des données cliniques obtenues dans le dossier médical de chaque patient. Les résultats n'ont montré aucune différence statistiquement significative dans toutes les mesures de VFC entre les groupes de patients avec EIO, de patients avec ELT avant la chirurgie et de sujets sains. Chez les patients avec EIO, le score SUDEP-7 variant de 1 à 6 (moyenne de 2,9; SD :1,2) était positivement corrélé avec le pNN50 (r = 0,671; p = 0,009 et Ln (RMSSD) (r = 0,591; p = 0,026). En postopératoire, les mesures de la VFC n'étaient pas statistiquement différentes des valeurs préopératoires ou de celles des témoins. Nous avons mené une analyse exploratoire dans laquelle nous avons stratifié les patients avec EIO en deux sous-groupes : un premier groupe (1a) dont les valeurs préopératoires de Ln (RMSSD) étaient inférieures à 3,52 (valeur moyenne de notre échantillon sain) et un second groupe (1b) dont les valeurs préopératoires étaient au-dessus. En préopératoire, dans le groupe 1a, toutes les valeurs du domaine temporel et fréquentiel (LnRMSSD, pNN50, LnLF et LnHF) étaient significativement inférieures à celles du groupe témoin (p <0,01), tandis que dans le groupe 1b, seules les valeurs du domaine temporel (LnRMSSD et pNN50) étaient significativement plus élevées que ceux du groupe témoin (p <0,01). Dans les deux groupes, les valeurs de la VFC avaient tendance à se normaliser après l'opération. En revanche, la lobectomie temporale antérieure des patients avec ELT n'a pas modifié les valeurs de HRV. Ces résultats préliminaires suggèrent que dans les EIO réfractaires, la VFC peut être soit diminuée au niveau du tonus sympathique et parasympathique, soit augmentée au niveau du tonus parasympathique. L'augmentation du tonus parasympathique est possiblement inquiétante puisqu’elle était corrélée positivement avec le score SUDEP-7. Une operculo-insulectomie n'a pas affecté négativement la VFC; au contraire, une chirurgie réussie semble entraîner une certaine ‘normalisation’ de l’HRV. Une confirmation avec un échantillon plus grand est nécessaire. / Cumulative evidence supports the role of the insula in cardiac autonomic regulation whose dysfunction may be involved in the pathophysiology of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP). Heart rate variability (HRV) is a simple and reliable tool to assess autonomic function; it is even considered a potential predictor of ventricular tachycardia and sudden death in patients after myocardial infarction. Over the last two decades, heart rate variability (HRV) has also received much interest in epilepsy research. Several studies have tried to assess HRV changes in different epilepsy types but the results have been heterogeneous and sometimes contradictory; its role as a marker of SUDEP remains uncertain. Of note, most studies involved TLE patients and TLE surgeries; none have looked at HRV changes in insulo-opercular epilepsy (IOE) and how insular resection can affect autonomic function. In this study, we aimed to investigate changes in interictal HRV in IOE. We further evaluated the effect of insulo-opercular surgery on these HRV changes. Fourteen IOE patients who had a good outcome (Engel I-II) after an insulo-opercular surgery were enrolled in this study. Fourteen age- and sex-matched patients with temporal lobe epilepsy (TLE) who were seizure-free after temporal lobectomy and 28 age- and sex-matched healthy individuals were also included. HRV measurements including time domain root mean square of successive RR interval differences (RMSSD) and percentage of successive RR intervals that differ by more than 50ms (pNN50) and frequency domain low-frequency (LF) and high-frequency (HF) parameters were carried out in pre- and post-operative periods (6-204 months). Presurgical HRV values for epileptic patients were calculated using EKG obtained simultaneously with video-EEG recordings during the presurgical evaluation. HRV of healthy individuals and post-surgical HRV from all operated epileptic patients were calculated from a 1-hour resting electrocardiogram at the laboratory. We also collected the patients’ presurgical data to calculate the SUDEP-7 risk inventory score. Findings showed no statistically significant differences in all HRV measurements between groups of IOE patients, TLE patients before the surgery, and healthy controls. In IOE patients, the SUDEP-7 score ranged from 1 to 6 (mean 2,9; SD: 1,6) and was positively correlated with pNN50 (r=0,671; p<0,009) and LnRMSSD (r=0,591; p<0,026). Postoperatively, HRV measurements were not statistically different from either preoperative values or those of controls. We conducted exploratory analyses where we stratified IOE patients into those whose preoperative LnRMSSD values were below (Group 1a) versus above (Group 1b) a cut-off threshold of 3,52 (mean value of our healthy sample). Preoperatively, in Group 1a, all time and frequency domain values (LnRMSSD, pNN50, LnLF, and LnHF) were significantly lower than those of controls (p<0,01) while in Group 1b, only time-domain values (LnRMSSD and pNN50) were significantly higher than those of control subjects (p<0,01). In both groups, HRV values tended to normalize postoperatively. In contrast, anterior temporal lobectomy for TLE patients did not alter HRV values. Our preliminary results suggest that in refractory IOE, HRV may be either decreased globally in sympathetic and parasympathetic tones or increased in parasympathetic tone. The increase in parasympathetic tone observed preoperatively may be of clinical concern as it was positively correlated with the SUDEP-7 score. The insulo-opercular resection did not affect the HRV; successful surgery might even have a good impact on HRV changes. Confirmation with a larger sample size is necessary.

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique. / The potassium-chloride cotransporter KCC2 decreases intracellular Cl- levels and renders GABA responses inhibitory. In addition, it has also been shown to modulate excitatory synapse development. In this project, we investigated how alterations of KCC2 expression levels affect these two key processes in cortical structures of a normal and/or epileptic developing brain. First, we demonstrate that KCC2 expression is altered by early-life febrile status epilepticus. Febrile seizures affect about 5% of children during the first year of life. Atypical febrile seizures, particularly febrile status epilepticus, correlate with a higher risk of developing cognitive deficits and temporal lobe epilepsy as adults, suggesting that they may permanently change the developmental trajectory of neuronal circuits. In fact, the presence of a cerebral malformation predisposes to the development of atypical febrile seizures and temporal lobe epilepsy. The mechanisms underlying these effects are not clear. Here, we investigated the functional impact of this alteration on subsequent synapse formation and seizure susceptibility. We analyzed KCC2 expression and spine density in the hippocampus of a well-established rodent model of atypical febrile seizures, combining a cortical freeze lesion at post-natal day 1 (P1) and hyperthermia-induced seizure at P10 (LHS rats). 86% of these LHS males develop epilepsy and learning and memory deficits in adulthood. At P20, we found a precocious increase in KCC2 protein levels, accompanied by a negative shift of the reversal potential of GABA (EGABA) by gramicidin-perforated patch. In parallel, we observed a reduction in dendritic spine size by DiI labelling and a reduction of miniature excitatory postsynaptic current (mEPSC) amplitude in CA1 pyramidal neurons, as well as impaired spatial memory. To investigate whether the premature expression of KCC2 played a role in these alterations in the LHS model, and on seizure susceptibility, we reduced KCC2 expression in CA1 pyramidal neurons by in utero electroporation of shRNA using a triple-probe electrode. This approach lead to reduced febrile seizure susceptibility, and rescued spine size shrinkage in LHS rats. Our results show that an increase of KCC2 levels induced by early-life insults affect seizure susceptibility and spine development and may be a contributing factor to the occurrence of hippocampal atrophy and associated cognitive deficits in LHS rats. Second, we investigated whether KCC2 premature overexpression plays a role in spine alterations in the hippocampus. We overexpressed KCC2 in hippocampal organotypic cultures by biolistic transfection and in vivo by in utero electroporation. In contrast to what was previously published, we observed that both manipulations lead to a decrease in spine density in the hippocampus, as well as an increase in spine head size in vivo. In fact, it has been previously shown that overexpressing KCC2 leads to an increase of spine density in the cortex in vivo. To prove that this discrepancy is due to brain regional differences, we overexpressed KCC2 in the cortex by in utero electroporation, and similarly found an increase in spine density and length. Altogether, our results demonstrate for the first time, that alterations of KCC2 expression are brain circuit-specific. These findings highlights the obstacles we will face to find adequate pharmacological treatment to specifically modulate KCC2 in a region-specific and time-sensitive manner in epilepsy.

Dans cette thèse nous avons utilisé des méthodes de systèmes dynamiques et des simulations numériques pour étudier les mécanismes d'oscillations d'épilepsie associés à des concentrations d’ions dynamiques et au comportement bimodal des cellules Purkinje du cervelet. Le propos général de ce travail est l'interaction entre les propriétés intrinsèques des neurones simple et la structure d'entrée synaptique contrôlant l'excitabilité neuronale. Dans la première partie de la thèse nous avons développé un modèle de transition de crise épileptique dans le lobe temporal du cerveau. Plus précisément nous nous sommes concentrés sur le rôle du cotransporteur KCC2, qui est responsable de la maintenance du potassium extracellulaire et du chlorure intracellulaire dans les neurones. Des données expérimentales récentes ont montré que cette molécule est absente dans un groupe significatif de cellules pyramidales dans le tissue neuronal de patients épileptiques suggérant son rôle épileptogène. Nous avons trouvé que l'addition d’une quantité critique de cellules pyramidale KCC2 déficient au réseau de subiculum, avec une connectivité réaliste, peut provoquer la génération d’oscillations pathologiques, similaire aux oscillations enregistrées dans des tranches de cerveau épileptogène humaines. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons étudié le rôle du bruit synaptique dans les cellules de Purkinje. Nous avons étudié l'effet de l'inhibition de la génération du potentiel d’action provoquée par injection de courant de bruit, un phénomène connu comme résonance stochastique inverse (RSI). Cet effet a déjà été trouvé dans des modèles neuronaux, et nous avons fournis sa première validation expérimentale. Nous avons trouvé que les cellules de Purkinje dans des tranches de cerveau peuvent être efficacement inhibées par des injectionsde bruit de courant. Cet effet est bien reproduit par le modèle phénoménologique adapté pour différentes cellules. En utilisant des méthodes de la théorie de l'information, nous avons montré que RSI prend en charge une transmission efficace de l'information des cellules de Purkinje simples suggérant son rôle pour les calculs du cervelet. / In this thesis we used dynamical systems methods and numericalsimulations to study the mechanisms of epileptic oscillations associated with ionconcentration changes and cerebellar Purkinje cell bimodal behavior. The general issue in this work is the interplay between single neuron intrinsicproperties and synaptic input structure controlling the neuronal excitability. In the first part of this thesis we focused on the role of the cellular intrinsicproperties, their control over the cellular excitability and their response to thesynaptic inputs. Specifically we asked the question how the cellular changes ininhibitory synaptic function might lead to the pathological neural activity. We developed a model of seizure initiation in temporal lobe epilepsy. Specifically we focused on the role of KCC2 cotransporter that is responsible for maintaining the baseline extracellular potassium and intracellular chloride levels in neurons. Recent experimental data has shown that this cotransporter is absent in the significant group of pyramidal cells in epileptic patients suggesting its epileptogenic role. We found that addition of the critical amount of KCC2-deficient pyramidal cells to the realistic subiculum network can switch the neural activity from normal to epileptic oscillations qualitatively reproducing the activity recorded in human epileptogenic brain slices. In the second part of this thesis we studied how synaptic noise might control the Purkinje cell excitability. We investigated the effect of spike inhibition caused by noise current injection, so-called inverse stochastic resonance (ISR). This effect has been previously found in single neuron models while we provided its first experimental evidence. We found that Purkinje cells in brain slices could be efficiently inhibited by current noise injections. This effect is well reproduced by the phenomenological model fitted for different cells. Using methods of information theory we showed that ISR supports an efficient information transmission of single Purkinje cells suggesting its role for cerebellar computations.

L'épilepsie du lobe temporal (ELT) est la forme la plus fréquente de l'épilepsie chez l'adulte. Elle se traduit par des crises spontanées et récurrentes, qui sont résistantes à tout traitement dans 90% des cas. Une agression initiale du cerveau (traumatisme crânien, méningite, convulsions fébriles etc.), est souvent à l'origine de la transformation d'un cerveau « sain » en cerveau épileptique. L'ensemble des processus responsables de cette transition s'appelle l'épileptogenèse. Pouvoir bloquer et/ou retarder l'épileptogenèse chez les patients à risque est une question de santé majeure. En plus des crises, l'ELT soulève d'autres questions. Elle est souvent associée à des déficits cognitifs, qui sont la conséquence de la réorganisation des circuits neuronaux. Ces déficits pourraient être traités de façon indépendante de l'épilepsie elle-même. Le projet de recherche de cette thèse s'inscrit dans ce cadre général. / Temporal Lobe Epilepsy (TLE) is the most common form of epilepsy in adults. It translates into spontaneous and recurrent seizures, which are resistant to any treatment in 90% of cases. An initial brain insult (head injury, meningitis, febrile seizures etc.), is often the cause of the transformation of a "healthy" brain into an epileptic one. The process responsible for this transition is called epileptogenesis. Blocking and/or delaying epileptogenesis in at-risk patients is a key issue for public health. In addition to the seizures, TLE raises other problems. It is often associated with cognitive deficits, which are the result of the reorganization of neuronal circuits. These deficits may be treated independently of epilepsy itself. The work presented here fits into this general framework.