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.

Plusieurs études ont montré que les maladies cardiovasculaires constituent un risque majeur de développement du trouble dépressif chez l’homme. Plus précisément, à la suite d’un infarctus du myocarde, 15 à 30 % des patients développent une dépression majeure dans les 6 à 8 mois suivant l’évènement cardiaque. Dans un modèle d’infarctus du myocarde chez le rat, développé dans notre laboratoire, nous avons noté la présence de comportements compatibles avec une dépression, deux semaines après l’infarctus. Nous avons également détecté des cellules apoptotiques dans le système limbique dès les premières minutes de reperfusion, nombre qui atteint son apogée à 3 jours de reperfusion. Nous avions émis l’hypothèse que l’apoptose que l’on observe dans le système limbique serait reliée à la réponse inflammatoire induite par l’infarctus du myocarde. Les comportements reliés à de la dépression ont été prévenus par l’administration d’un inhibiteur de la synthèse des cytokines pro-inflammatoires, la pentoxifylline, le célécoxib, un inhibiteur de la cyclooxygenase-2, par des probiotiques ainsi que par différents antidépresseurs. Les résultats des deux premières études de cette thèse montrent que la desvenlafaxine, un Inhibiteur de la recapture de la sérotonine et noradrénaline (IRSN) prévient les comportements dépressifs tout en diminuant l’apoptose à 3 jours post-infarctus dans le système limbique. Les comportements similaires à ceux d’une dépression que présentent les rats deux semaines après l’évènement cardiaque sont encore présents à 4 mois post-infarctus, si aucun traitement n’est entrepris. De plus, ces animaux développent des troubles d’apprentissage que la desvenlafaxine peut prévenir, et ceci même si le traitement n’est présent que pendant les 2 premières semaines post-infarctus. Dans la troisième étude de cette thèse, nous avons voulu savoir si le nerf vague était impliqué dans les effets bénéfiques de deux probiotiques sur l’apoptose dans le système limbique après un infarctus du myocarde. Nos résultats ont démontré que les probiotiques réduisent l’apoptose dans le système limbique après un infarctus du myocarde, mais que cet effet est perdu en présence d’une vagotomie. Les résultats obtenus démontrent que l’infarctus du myocarde induit une mort par apoptose dans le système limbique de même que des comportements dépressifs et des problèmes d’apprentissage à long terme. Ces problèmes peuvent être diminués par un traitement à la desvenlafaxine, et ceci même si le traitement n’est présent que pour les deux premières semaines post-infarctus. Finalement, nous avons observé que les probiotiques avaient des effets bénéfiques sur l’apoptose dans le système limbique par un mécanisme impliquant le nerf vague. En conclusion, plusieurs interventions différentes sont efficaces pour limiter les conséquences de l’infarctus du myocarde sur le système limbique et un traitement court est efficace pour prévenir les problèmes à plus long terme. / Several studies have highlighted that disruption of the cardiovascular functions is a major risk of developing depressive disorder in humans. 15-30% of the general population develops major depression within 6 to 8 months after a myocardial infarction. To better understand the underlying mechanisms and identify therapeutic pathways, we use a rat model of post-myocardial infarction developed in our laboratory. We have observed in these animals an increased apoptosis in the limbic system, which starts in the first minutes following reperfusion and peaks 3 days post-reperfusion. As a result, a depression-like phenotype and learning impairments appear 2 weeks after the myocardial infarction, which will persist up to 4 months after the infarct. We hypothesize that the observed apoptosis and the resulting depressive-like behavior are mediated by the inflammatory response induced after myocardial infarction. Indeed, depression-like behavior is prevented by the administration of an inhibitor of the pro-inflammatory cytokines, (pentoxifillyne, celecoxib), as well as by probiotics. In this thesis, we show that desvenlafaxine, a serotonin and noradrenaline reuptake inhibitor (SNRI) prevents death by apoptosis in the limbic system. Desvenlafaxine also helps to improve the depressive-like behavior in these rats as well as the learning impairments, even if the treatment is administered during the first 2 weeks post-reperfusion. Finally, we have discovered that vagotomy prevents the probiotics effect over the apoptosis appearing after myocardial infarction, highlighting the importance of the vagus nerve in the beneficial effects of probiotics. In conclusion, several interventions are effective in limiting the consequences of myocardial infarction on the limbic system and also key to prevent the apparition of secondary psychological disorders.

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.

A atrite reumatóide é uma doença inflamatória crônica, sem cura, que afeta cerca de 1% da população mundial entre 35 e 65 anos, cujos sinais e sintomas incluem dor, edema, rigidez, degeneração e deformidades articulares. O atual tratamento da artrite reumatóide consiste no uso de drogas anti-reumáticas modificadores de doença (DMARDs), porém são compostos caros e imunossupressivos que podem elevar o risco de infecções graves e malignidades. No presente estudo, analisamos o nervo vago como potencial imunomodulador da inflamação que ocorre na artrite reumatóide experimental. Nossos resultados indicam que a estimulação vagal aferente controla a inflamação articular por meio da ativação de áreas encefálicas simpatoexcitatórias, tais como o núcleo paraventricular do hipotálamo (PVN) e o locus coeruleus (LC). A estimulação do PVN ou do LC diminui a inflamação na articulação, mas somente a integridade do LC foi obrigatória para o controle vagal da inflamação na artrite. A estimulação elétrica cortical direcionada para o córtex parietal ativou o LC e o PVN, mimetizando a ativação vagal, porém induziu um melhor controle da inflamação. Esses resultados sugerem a existência de um mapa encefálico neuroimune capaz de controlar a artrite sem causar efeitos colaterais observáveis. / There is no cure for rheumatoid arthritis affecting over 1% of the world population between 35 e 65 years old suffering chronic inflammation causing pain, swelling, stiffness, degeneration e joint deformities. Disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) are expensive e immunosuppressive, increasing the risk of severe infections e malignancies. Here, we analyzed the potential of the vagus nerve to control experimental arthritic inflammation. Our results indicate that the afferent vagus nerve controls arthritic joint inflammation by activating specific sympatho-excitatory brain areas, such as the paraventricular hypothalamic nucleus (PVN) e the locus coeruleus (LC). PVN or LC stimulation decreased articular inflammation, but only LC integrity was necessary for vagal control of arthritic inflammation. Cortical electrical stimulation above the parietal cortex activated LC e PVN, mimicked vagal activation but induced a better control of arthritic joint inflammation. These results suggest a neuroimmune brain map to control side-specific lateral arthritic joint inflammation without noticeable side effects.

L’axe cerveau-intestin désigne l’interaction bidirectionnelle entre le cerveau et le tube digestif. Bien que la leptine, hormone produite par le tissu adipeux, participe à la régulation de cet axe, son mode d’action dans le système nerveux entérique a été peu étudié. A l’heure actuelle, une relation étroite entre une perturbation de l’axe cerveau-intestin et la schizophrénie est supposée. Par conséquent, les objectifs de ce travail étaient d’évaluer 1) les effets ex vivo de la leptine dans la neurotransmission entérique chez le rat et 2) les altérations périphériques dans un modèle neurodéveloppemental de la schizophrénie (NVHL) chez le rat. Nous avons montré que la leptine module l’activité des neurones entériques inhibiteurs et excitateurs dans le jéjunum et le côlon proximal. L’implication des neurones afférents primaires intrinsèques a été discutée. Chez les rats NVHL, nous avons mis en évidence une réduction de la masse corporelle, des variations hormonales, une inflammation du jéjunum et des altérations motrices digestives. La relation entre les troubles périphériques, notamment vagaux, et la physiopathologie de la schizophrénie a été discutée. / The brain-gut axis refers to the bidirectional interaction between the gut and the brain. Although leptin, a hormone released from fat tissue, is involved in the brain-gut axis control, its mechanism of action in the enteric nervous system has not been studied so far. Nowadays, brain-gut axis dysfunctions are supposed to be in close connection with schizophrenia. Therefore, the goals of this work were to determine 1) the effects of leptin on rat enteric nervous system neurotransmission and 2) peripheral alterations in the NVHL neurodevelopmental rat model of schizophrenia. We showed that leptin modulates inhibitory and excitatory enteric motor neurons activity in jejunum and proximal colon. Implication of intrinsic primary afferent neurons was discussed. In NVHL rats, we showed a decrease in body mass, some hormonal variations, jejunal inflammation and gastro-intestinal mechanical activities alterations. The relation peripheral alterations, like vagus nerve dysfunction, and the physiopathology of schizophrenia was discussed.

A atrite reumatóide é uma doença inflamatória crônica, sem cura, que afeta cerca de 1% da população mundial entre 35 e 65 anos, cujos sinais e sintomas incluem dor, edema, rigidez, degeneração e deformidades articulares. O atual tratamento da artrite reumatóide consiste no uso de drogas anti-reumáticas modificadores de doença (DMARDs), porém são compostos caros e imunossupressivos que podem elevar o risco de infecções graves e malignidades. No presente estudo, analisamos o nervo vago como potencial imunomodulador da inflamação que ocorre na artrite reumatóide experimental. Nossos resultados indicam que a estimulação vagal aferente controla a inflamação articular por meio da ativação de áreas encefálicas simpatoexcitatórias, tais como o núcleo paraventricular do hipotálamo (PVN) e o locus coeruleus (LC). A estimulação do PVN ou do LC diminui a inflamação na articulação, mas somente a integridade do LC foi obrigatória para o controle vagal da inflamação na artrite. A estimulação elétrica cortical direcionada para o córtex parietal ativou o LC e o PVN, mimetizando a ativação vagal, porém induziu um melhor controle da inflamação. Esses resultados sugerem a existência de um mapa encefálico neuroimune capaz de controlar a artrite sem causar efeitos colaterais observáveis. / There is no cure for rheumatoid arthritis affecting over 1% of the world population between 35 e 65 years old suffering chronic inflammation causing pain, swelling, stiffness, degeneration e joint deformities. Disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) are expensive e immunosuppressive, increasing the risk of severe infections e malignancies. Here, we analyzed the potential of the vagus nerve to control experimental arthritic inflammation. Our results indicate that the afferent vagus nerve controls arthritic joint inflammation by activating specific sympatho-excitatory brain areas, such as the paraventricular hypothalamic nucleus (PVN) e the locus coeruleus (LC). PVN or LC stimulation decreased articular inflammation, but only LC integrity was necessary for vagal control of arthritic inflammation. Cortical electrical stimulation above the parietal cortex activated LC e PVN, mimicked vagal activation but induced a better control of arthritic joint inflammation. These results suggest a neuroimmune brain map to control side-specific lateral arthritic joint inflammation without noticeable side effects.

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.

This thesis describes a novel method to reversibly and safely block nerve conduction using a low frequency alternating current (LFAC) waveform at 1 Hz applied through a bipolar extrafascicular electrode. This work follows up on observations made on excised mammalian peripheral nerves and earthworm nerve cords. An<i> in-situ</i> electrophysiology setup was used to assess the LFAC<br>waveform on propagating action potentials (APs) within the cervical vagus nerve in anaesthetized Sprague-Dawley rats (n = 12). Two sets of bipolar cuff or hook electrodes were applied unilaterally to the cervical vagus nerve, which was crushed rostral to the electrodes to exclude reflex effects<br>on the animal. Pulse stimulation was applied to the rostral electrode, while the LFAC conditioning waveform was applied to the caudal electrode. The efferent volley, if unblocked, elicits acute bradycardia and hypotension. The degree of block of the vagal stimulation induced bradycardia<br>was used as a biomarker. Block was assessed by the ability to reduce the bradycardic drive by monitoring the heart rate (HR) and blood pressure (BP) during LFAC alone, LFAC with vagal stimulation, and vagal stimulation alone. LFAC applied via a hook electrode (n = 7) achieved 86.6 +/- 11% block at current levels 95 +/- 38 uAp (current to peak). When applied via a cuff electrode (n = 5) 85.3 +/- 4.60% block was achieved using current levels of 110 +/- 65 uAp. Furthermore, LFAC was explored on larger vagal afferent fibers in larger human sized nerve bundles projecting to effects mediated by a reflex. The effectiveness of LFAC was assessed in an <i>in-situ</i> electrophysiological setup on the left cervical vagus in anaesthetized domestic swine (n = 5). Two bipolar cuff electrodes were applied unilaterally to the cervical vagus nerve, which was crushed caudal to the electrodes to eliminate cardiac effects. A tripolar extrafascicular cuff electrode was placed most rostral on the nerve for recording of propagating APs induced by<br>electrical stimulation and blocked via the LFAC waveform.<br>Standard pulse stimulation was applied to the left cervical vagus to induce the Hering-Breuer reflex. If unblocked, the activation of the Hering-Breuer reflex would cause breathing to slow down and potentially cease. Block was quantified by the ability to reduce the effect of the Hering-Breuer<br>reflex by monitoring the breathing rate during LFAC alone, LFAC and vagal stimulation, and vagal stimulation alone. LFAC achieved 87.2 +/- 8.8% (n = 5) block at current levels of 0.8 +/- 0.3 mAp. Compound nerve action potentials (CNAP) were monitored directly. They show changes<br>in nerve activity during LFAC, which manifests itself as the slowing and amplitude reduction of components of the CNAPs. Since the waveform is balanced, all forward reactions are reversed, leading to a blocking method that is similar in nature to DC block without the potential issues of<br>toxic byproduct production. These results suggest that LFAC can achieve a high degree of nerve block in both small and large nerve bundles, resulting in the change in behavior of a biomarker, <i>in-vivo </i>in the mammalian nervous system at low amplitudes of electrical stimulation that are within the water window of the electrode.<br>

In recent years great advances in the field of biomedical engineering and organic electronics have been achieved. One promising application would be the regulation of blood glucose concentration in type 2 diabetes patients. This application would eliminate medication and would improve the standard of life. To achieve this goal a system is needed which receives information about the glucose concentration and reacts upon it. This output reaction could then be used to stimulate the body's own glucose regulation mechanisms. This thesis combined a glucose sensor with an artificial neuron to take the first step towards such a system. Two different artificial neurons, the Axon-Hillock neuron and the astable multivibrator, were characterized and examined upon their usability. The Axon-Hillock, build with organic electrochemical transistors, revealed that it could be applied for both regulating high and low blood glucose concentrations. The astable multivibrator, build with silicon-based transistors, was not as functional as the Axon-Hillock neuron but with more development it could become as good. The placement of the glucose sensor in the astable multivibrator circuit is essential parameter to consider. The results demonstrate that the examined system is functional and could become a part of a larger closed-loop system. Future tests on an animal model may demonstrate its viability as a treatment for type 2 diabetes.