The BOLD contrast employed in functional MRI studies is an ambiguous signal composed of changes in blood flow, blood volume and oxidative metabolism. In situations where the vasculature and metabolism may have been affected, such as in aging and in certain diseases, the dissociation of the more physiologically-specific components from the BOLD signal becomes crucial. The latest generation of calibrated functional MRI methods allows the estimation of both resting blood flow and absolute oxygen metabolism. The work presented here is based on one such proof-of-concept approach, dubbed QUO2, whereby taking into account, within a generalized model, both arbitrary changes in blood flow and blood O2 content during a combination of hypercapnia and hyperoxia breathing manipulations, yields voxel-wise estimates of resting oxygen extraction fraction and oxidative metabolism. In the first part of this thesis, the QUO2 acquisition protocol and data analysis were revisited in order to enhance the temporal stability of individual blood flow and BOLD responses, consequently improving reliability of the model-derived estimates. Thereafter, an assessment of the within and between-subject variability of the optimized QUO2 measurements was performed on a group of healthy volunteers. In parallel, an analysis was performed of the sensitivity of the model to different sources of random and systematic errors, respectively due to errors in measurements and choice of assumed parameters values. Moreover, the various impacts of the oxygen concentration administered during the hyperoxia manipulation were evaluated through a simulation and experimentally, indicating that a mild hyperoxia was beneficial. Finally, the influence of Alzheimer’s disease in vascular and metabolic changes was explored for the first time by applying the QUO2 approach in a cohort of probable Alzheimer’s disease patients and age-matched control group. Voxel-wise and region-wise differences in resting blood flow, oxygen extraction fraction, oxidative metabolism, transverse relaxation rate constant R2* and R2* changes during hypercapnia were identified. A series of limitations along with recommended solutions was given with regards to the delayed transit time, the susceptibility artifacts and the challenge of performing a hypercapnia manipulation in cohorts of elderly and Alzheimer’s patients. / Le contraste BOLD employé dans les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) provient d’une combinaison ambigüe de changements du flux sanguin cérébral, du volume sanguin ainsi que du métabolisme oxydatif. Dans un contexte où les fonctions vasculaires ou métaboliques du cerveau ont pu être affectées, tel qu’avec l’âge ou certaines maladies, il est crucial d’effectuer une décomposition du signal BOLD en composantes physiologiquement plus spécifiques. La dernière génération de méthodes d’IRMf calibrée permet d’estimer à la fois le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif au repos. Le présent travail est basé sur une telle technique, appelée QUantitative O2 (QUO2), qui, via un model généralisé, prend en considération les changements du flux sanguin ainsi que ceux en concentrations sanguine d’O2 durant des périodes d’hypercapnie et d’hyperoxie, afin d’estimer, à chaque voxel, la fraction d’extraction d’oxygène et le métabolisme oxydatif au repos. Dans la première partie de cette thèse, le protocole d’acquisition ainsi que la stratégie d’analyse de l’approche QUO2 ont été revus afin d’améliorer la stabilité temporelle des réponses BOLD et du flux sanguin, conséquemment, afin d’accroître la fiabilité des paramètres estimés. Par la suite, une évaluation de la variabilité intra- et inter-sujet des différentes mesures QUO2 a été effectuée auprès d’un groupe de participants sains. En parallèle, une analyse de la sensibilité du model à différentes sources d’erreurs aléatoires (issues des mesures acquises) et systématiques (dues aux assomptions du model) a été réalisée. De plus, les impacts du niveau d’oxygène administré durant les périodes d’hyperoxie ont été évalués via une simulation puis expérimentalement, indiquant qu’une hyperoxie moyenne était bénéfique. Finalement, l’influence de la maladie d’Alzheimer sur les changements vasculaires et métaboliques a été explorée pour la première fois en appliquant le protocole QUO2 à une cohorte de patients Alzheimer et à un groupe témoin du même âge. Des différences en terme de flux sanguin, fraction d’oxygène extraite, métabolisme oxydatif, et taux de relaxation transverse R2* au repos comme en réponse à l’hypercapnie, ont été identifiées au niveau du voxel, ainsi qu’au niveau de régions cérébrales vulnérables à la maladie d’Alzheimer. Une liste de limitations accompagnées de recommandations a été dressée en ce qui a trait au temps de transit différé, aux artéfacts de susceptibilité magnétique, de même qu’au défi que représente l’hypercapnie chez les personnes âgées ou atteintes de la maladie d’Alzheimer.

Au niveau du cerveau et dans le plasma de malades atteints de maladie d’Alzheimer (MA), l’accumulation de C22:0 et d’acides gras à très longue chaîne (C24:0 ; C26:0), la diminution d’acide docosahexaenoique (C22:6 n-3) et les modifications quantitatives et qualitatives de plasmalogènes suggèrent l’implication de dysfonctions peroxysomales. En fonction de ces constatations, les activités biologiques de C22:0, C24:0 et C26:0 ont été recherchées sur des cellules neuronales humaines SK-N-BE. La lipotoxicité des acides gras (C22:0, C24:0 et C26:0) induit divers effets au niveau des mitochondries (modifications topographiques, morphologiques et fonctionnelles), conduit à une rupture de l’équilibre RedOx (surproduction d’espèces radicalaires de l’oxygène, modification de l’activité des enzymes anti-oxydantes : catalase, SOD, GPx), à une peroxydation lipidique et à une désorganisation du cytosquelette (microfilaments d’actine, tubuline, neurofilaments). Ces acides affectent aussi l’amyloïdogenèse et la tauopathie. L’amyloïde béta favorise aussi l’accumulation intracellulaire de C22:0, C24:0 et C26:0. A fortes concentrations, ces acides gras induisent une mort cellulaire non apoptotique. Par ailleurs, les données immunohistochimiques en relation avec l’expression de marqueurs peroxysomaux (ABCD1, ABCD2, ABCD3, ACOX1 et catalase) au niveau du cerveau de souris transgéniques APP PS1 ΔE9 ainsi que les profil d’acide gras obtenus sur le cerveau et le sang de ces souris suggèrent qu’elles pourraient constituer un bon modèle pour l’étude des relations entre MA et métabolisme peroxysomal. L’étude clinique réalisée sur plasma et érythrocytes de malades déments (MA, démences vasculaires, autres démences) montre une forte accumulation de C22:0, C24:0 et C26:0. Le C26:0 pourrait constituer un excellent biomarqueur de la MA. Le C18:0 à est aussi augmenté ainsi que les acides gras n-6. De forts indices de stress oxydant sont aussi révélés. Dans son ensemble, le travail réalisé suggère que les acides gras (C22:0, C24:0 et C26:0) ainsi que le métabolisme des acides gras en relation avec le métabolisme peroxysomal pourraient contribuer à la neurodégénéréscence associée aux démences incluant la MA / In the brain and in the plasma of patients with Alzheimer’s disease (AD), marked accumulation of C22:0 and of very long chain fatty acids (C24:0 ; C26:0) have been reported. Important decreases of docosahexaenoic acid (DHA; C22:6 n-3) have also been described as well as quantitative and qualitative modifications of plasmalogens. Altogether, these lipid modifications suggest an implication of peroxisomal metabolism disorders in the physiopathology of AD. Therefore, the biological activities of C22:0, C24:0 and C26:0 have been studied on human neuronal cells SK-N-BE. On these cells, the lipotoxicity of fatty acids (C22:0, C24:0 and C26:0) leads to various cellular modifications: topographical, morphological and functional changes at the mitochondrial level, rupture of RedOx equilibrium (overproduction of reactive oxygen species, modification of the activity of enzymes involved in anti-oxidant defenses: catalase, SOD, GPx), lipid peroxidation, cytoskeleton disorganization (actin microfilaments, tubulin, neurofilaments). These fatty acids also favor amyloidogenesis and tauopathy. At elevated concentrations, these fatty acids trigger a non apoptotic mode of cell death. Moreover, data obtained by immunohistochemistry with antibodies raised against peroxisomal components (ABCD1, ABCD2, ABCD3, ACOX1 and catalase) on histological tissue sections of the brain of transgenic mice APP PS1 ΔE9 as well as lipidomic analysis performed on the blood and the brain of these mice suggest that they could constitute interesting model to study the relationships between AD and peroxisomal metabolism. The clinical study performed on the plasma and on the erythrocytes of patients with dementia (AD, vascular dementia, other dementia) revealed an important accumulation of C22:0, C24:0 and C26:0. Hexacosanoic acid (C26:0) might constitute an excellent biomarker of AD. The fatty acid C18:0 and (n-6) fatty acids have also been found at increased concentrations. A strong oxidative stress has also been revealed. Altogether, our data support that the fatty acids (C22:0, C24:0 and C26:0) as well as the fatty acid metabolism depending on the peroxisome might contribute to neurodegeneration leading to various types of dementia including AD

Downstream regulatory element antagonist modulator (DREAM) is involved in various interactions with targets both inside and outside of the nucleus. In the cytoplasm, DREAM interacts with the C-terminal fragments of presenilins to facilitate the production of β-amyloid plaques in Alzheimer’s disease. In the nucleus, Ca2+ free DREAM directly binds to specific downstream regulatory elements of prodynorphin/c-fos gene to repress the gene transcription in pain modulation. These interactions are regulated by Ca2+ and/or Mg2+ association at the EF-hands in DREAM. Therefore, understanding the conformational dynamics and stability associated with Ca2+ and/or Mg2+ binding to DREAM is crucial for elucidating the mechanisms of interactions of DREAM with DNA or presenilins. The critical barrier for envisioning the mechanisms of these interactions lies in the lack of NMR/crystal structures of Apo and Mg2+DREAM. Using a combination of fluorescence spectroscopy, circular dichroism, isothermal titration calorimetry, photothermal spectroscopy, and computational approaches, I showed that Mg2+ association at the EF-hand 2 structurally stabilizes the N-terminal alpha-helices 1, 2, and 5, facilitating the interaction with DNA. Binding of Ca2+ at the EF-hand 3 induces significant structural changes in DREAM, mediated by several hydrophobic residues in both the N- and C-domains. These findings illustrate the critical role of EF-hand 3 for Ca2+ signal transduction from the C- to N-terminus in DREAM. The Ca2+ association at the EF-hand 4 stabilizes the C-terminus by forming a cluster consisting of several hydrophobic residues in C-terminal domain. I also demonstrated that association of presenilin-1 carboxyl peptide with DREAM is Ca2+ dependent and the complex is stabilized by aromatic residues F462 and F465 from presenilin-1 and F252 from DREAM. Stabilization is also provided by residues R200 and R207 in the loop connecting a7 and a8 in DREAM and the residues D450 and D458 in presenilin-1. These findings provide a structural basis for the development of new drugs for chronic pain and Alzheimer’s disease treatments.

Le rôle que pourrait jouer l’interaction des systèmes cholinergiques (ACh) et dopaminergiques (DA) semble crucial dans la physiopathologie de certaines maladies neurodégénératives, en particulier dans la démence à corps de Lewy (DCL). Ce travail de thèse se propose de valider un protocole d’imagerie moléculaire en tomographie d’émission monophotonique, consistant en un marquage de l’ACh et de la DA chez un même individu, afin de pouvoir étudier in vivo les interactions ACh/DA.Après avoir mis au point chez des sujets âgés et des patients atteints de maladie d’Alzheimer une méthode d’imagerie cérébrale quantitative des neurones ACh utilisant un radioligand sélectif du transporteur vésiculaire de l’ACh, le [123I]-IBVM, et basée sur une modélisation pharmacocinétique, nous avons montré le potentiel de cette méthode à mettre en évidence une atteinte différentielle des circuits ACh dans la Paralysie Supranucléaire Progressive et l’Atrophie Multisystématisée. Dans la dernière partie de ce travail de thèse, nous avons pour la première fois réalisé un double marquage des systèmes ACh et DA dans la DCL, en utilisant, en plus du [123I]-IBVM, un radioligand sélectif du transporteur de la dopamine et validé en routine clinique, le [123I]-FP-CIT. En parallèle, une étude comportementale évaluant la présence d’hallucinations, de fluctuations cognitives, d’altérations des rythmes circadiens ainsi qu’un bilan des performances neuropsychologiques, ont été menés. Cette étude est actuellement en cours de réalisation. Les tous premiers résultats montrent l’existence de liens cohérents entre les données d’imagerie moléculaire et les données cliniques. / The question of how acetylcholine (ACh) and dopamine (DA) could be involved together in the pathophysiology of some neurodegenerative disorders is essential, particularly in dementia with Lewy bodies (DLB). The present study aims at assessing an in vivo molecular imaging method of both ACh and DA brain systems using single photon emission computed tomography. In the first part of the present study, a method based on pharmacokinetic analysis making it possible to quantify ACh neurons in vivo, using [123I]-IBVM, a specific radioligand of vesicular acetylcholine transporter, was developed and validated in healthy subjects and Alzheimer’s disease patients. Then, we showed the ability of our method to demonstrate a differential alteration of ACh pathways in Progressive Supranuclear Palsy and Multiple System Atrophy patients. In the last part of this study, we imaged for the first time both ACh and DA systems in DLB patients, using not only [123I]-IBVM, but also [123I]-FP-CIT, a specific radioligand of dopamine transporter. Concomitantly, a behavioral exploration of hallucinations, fluctuating cognition and disturbances of circadian rhythms was achieved in these patients, as well as a neuropsychological examination. This study is currently in progress. The first results show consistent links between imaging and clinical data.

À l’heure où le numérique s’est totalement imposé dans notre quotidien, nous pouvons nous demander comment évolue notre bien-être. La réalité virtuelle hautement immersive permet de développer des environnements propices à la relaxation qui peuvent améliorer les capacités cognitives et la qualité de vie de nombreuses personnes. Le premier objectif de cette étude est de réduire les émotions négatives et améliorer les capacités cognitives des personnes souffrant de déclin cognitif subjectif (DCS). À cette fin, nous avons développé un environnement de réalité virtuelle appelé Savannah VR, où les participants ont suivi un avatar à travers une savane. Nous avons recruté dix-neuf personnes atteintes de DCS pour participer à l’expérience virtuelle de la savane. Le casque Emotiv Epoc a capturé les émotions des participants pendant toute l’expérience virtuelle. Les résultats montrent que l’immersion dans la savane virtuelle a réduit les émotions négatives des participants et que les effets positifs ont continué par la suite. Les participants ont également amélioré leur performance cognitive. La confusion se manifeste souvent au cours de l’apprentissage lorsque les élèves ne comprennent pas de nouvelles connaissances. C’est un état qui est également très présent chez les personnes atteintes de démence à cause du déclin de leurs capacités cognitives. Détecter et surmonter la confusion pourrait ainsi améliorer le bien-être et les performances cognitives des personnes atteintes de troubles cognitifs. Le deuxième objectif de ce mémoire est donc de développer un outil pour détecter la confusion. Nous avons mené deux expérimentations et obtenu un modèle d’apprentissage automatique basé sur les signaux du cerveau pour reconnaître quatre niveaux de confusion (90% de précision). De plus, nous avons créé un autre modèle pour reconnaître la fonction cognitive liée à la confusion (82 % de précision). / At a time when digital technology has become an integral part of our daily lives, we can ask ourselves how our well-being is evolving. Highly immersive virtual reality allows the development of environments that promote relaxation and can improve the cognitive abilities and quality of life of many people. The first aim of this study is to reduce the negative emotions and improve the cognitive abilities of people suffering from subjective cognitive decline (SCD). To this end, we have developed a virtual reality environment called Savannah VR, where participants followed an avatar across a savannah. We recruited nineteen people with SCD to participate in the virtual savannah experience. The Emotiv Epoc headset captured their emotions for the entire virtual experience. The results show that immersion in the virtual savannah reduced the negative emotions of the participants and that the positive effects continued afterward. Participants also improved their cognitive performance. Confusion often occurs during learning when students do not understand new knowledge. It is a state that is also very present in people with dementia because of the decline in their cognitive abilities. Detecting and overcoming confusion could thus improve the well-being and cognitive performance of people with cognitive impairment. The second objective of this paper is, therefore, to develop a tool to detect confusion. We conducted two experiments and obtained a machine learning model based on brain signals to recognize four levels of confusion (90% accuracy). In addition, we created another model to recognize the cognitive function related to the confusion (82% accuracy).

Des études soutiennent que l’entraînement cognitif est une méthode efficace pour ralentirle déclin cognitif chez les personnes âgées. Les jeux sérieux basés sur la réalité virtuelle(RV) ont trouvé une application dans ce domaine en raison du haut niveau d’immersionet d’interactivité offert par les environnements virtuels (EV). Ce projet implémente unjeu d’orientation 3D en réalité virtuelle entièrement immersif avec un système pour guiderl’utilisateur en temps réel. Le jeu d’orientation 3D est utilisé comme exercice pour entraînerles capacités cognitives des utilisateurs. Les effets immédiats du jeu d’orientation sur lescapacités de mémoire et d’attention ont été étudiés sur quinze personnes âgées présentant undéclin cognitif subjectif (DCS). Il a été observé que bien qu’il n’y ait pas eu d’améliorationsignificative des résultats pour les exercices d’attention, les participants ont obtenu demeilleurs résultats aux exercices de mémoire spécifiques après avoir joué au jeu d’orientation. Le manque de succès dans la réalisation de l’objectif requis peut parfois augmenter lesémotions négatives chez les êtres humains, et plus particulièrement chez les personnes quisouffrent de déclin cognitif. C’est pourquoi le jeu a été équipé d’un système de guidageavec indices de localisation en temps réel pour contrôler les émotions négatives et aiderles participants à accomplir leurs tâches. Le système de guidage est basé sur des règleslogiques; chaque indice est délivré si une condition spécifique est remplie. Le changement desémotions des participants a montré que les indices sont efficaces pour réduire la frustration,étant donné qu’ils sont facilement compréhensibles et conçus pour donner un retour positif. La dernière partie du projet se concentre sur le système de guidage et met en oeuvre unmoyen pour l’activer entièrement selon les émotions d’une personne. Le problème consisteà identifier l’état des émotions qui devraient déclencher l’activation du système de guidage.Ce problème prend la forme d’un processus de décision markovien (PDM), qui peut êtrerésolu via l’apprentissage par renforcement (AR). Le réseau profond Q (RPQ) avec relectured’expérience (ER), qui est l’un des algorithmes d’apprentissage par renforcement les plusavancés pour la prédiction d’actions dans un espace d’action discret, a été utilisé dans cecontexte. L’algorithme a été formé sur des données d’émotions simulées, et testé sur les données de quinze personnes âgées acquises lors d’expériences menées dans la première partiedu projet. On observe que la méthode basée sur l’AR est plus performante que la méthodebasée sur les règles pour identifier l’état mental d’une personne afin de lui fournir des indices. / Studies support cognitive training as an efficient method to slow the cognitive declinein older adults. Virtual reality (VR) based serious games have found application in thisfield due to the high level of immersion and interactivity offered by virtual environments(VE). This project implements a fully immersive 3D virtual reality orientation game with areal-time guidance system to be used as an exercise for cognitive training. The immediateaftereffects of playing the orientation game on memory and attention abilities were studiedon fifteen older adults with subjective cognitive decline (SCD). It was observed that whilethere was no significant improvement in attention exercises, the participants performedbetter in specific memory exercises after playing the orientation game. Sometimes lack of success in achieving the required objective may increase the negativeemotions in humans and more so in people who suffer from cognitive decline. Hence, thegame was equipped with a real-time guidance system with location hints to control negativeemotions and help participants to complete the tasks. The guidance system is based onlogical rules; each hint is delivered if a specific condition is met. Change in emotions ofparticipants showed that hints are effective in reducing frustration, given that the hints areeasily comprehensible and designed to give positive feedback. The final part of the project focuses on the guidance system and implements a way toactivate it entirely based on a person’s emotions. The problem calls for identifying the stateof the emotions that should trigger the guidance system’s activation. This problem takes theform of a Markov decision process (MDP), which can be solved by setting it in a reinforcementlearning framework. Deep Q-Learning network (DQN) with experience replay (ER),which is one of the state-of-the-art reinforcement learning algorithms for predicting actionsin discrete action space, was used in this context. The algorithm was trained on simulateddata of emotions and tested on the data of fifteen older adults acquired in experimentsconducted in the first part of the project. It is observed that the RL based method performsbetter than the rule-based method in identifying the mental state of a person to provide hints.

La maladie d’Alzheimer (MA) est à l’origine de la majorité des cas de démence chez les personnes âgées. Son diagnostic précoce est essentiel pour mieux comprendre les mécanismes cérébraux sous-tendant la manifestation phénotypique de la maladie et développer des interventions conséquentes. Le fait d’étudier des individus à risque de développer la MA, par exemple ceux présentant un déclin cognitif subjectif (DCS) ou un trouble cognitif léger (TCL), offre l’opportunité d’examiner les processus neuropathophysiologiques qui précèdent le stade démentiel. Cela permettrait, entre autres, d’identifier des biomarqueurs avant-coureurs de la maladie. Cette thèse avait pour but d’investiguer la présence d’hyperactivation cérébrale chez des individus à risque de développer la MA, et d’examiner les réseaux cérébraux fonctionnels associés à l’hyperactivation. L’hyperactivation se définit par la présence de niveaux supérieurs d’activation cérébrale chez des personnes faisant partie de groupes à risque pour la MA (p.ex. DCS ou TCL), comparativement à des participants contrôles cognitivement sains. L’hyperactivation est le plus souvent mesurée par l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en condition de réalisation de tâche. Dans cette thèse, le lecteur ou la lectrice sera d’abord exposée aux études ayant utilisé l’IRMf pour examiner les patrons d’activation cérébrale et de connectivité fonctionnelle chez les individus ayant reçu un diagnostic clinique de MA, de TCL ou présentant un DCS. Les modèles théoriques découlant de ces études seront ensuite présentés. Afin de mieux comprendre le phénomène d’hyperactivation et sa relation avec les patrons de connectivité fonctionnelle, les divers enjeux scientifiques qui demeurent à être abordés seront ensuite décrits (Chapitre 1). Trois articles exposant les études empiriques formant le corps de la thèse seront ensuite présentés. La première étude avait pour but de documenter la présence, la localisation et l’évolution longitudinale de l’hyperactivation iv associée à une tâche de mémoire épisodique chez des individus qui rencontrent les critères de TCL et qui ont ultérieurement progressé vers une démence (Chapitre 2). La deuxième étude visait à déterminer la trajectoire de l’activation cérébrale associée à une tâche de mémoire associative en fonction du degré de sévérité de la maladie chez un groupe d’individus à risque de développer la MA. Elle avait également pour but de déterminer la présence d’hyperactivation chez des personnes rencontrant les critères de DCS plus (ou DCS+), qui sont des individus présentant une plainte de mémoire ainsi que des marqueurs génétiques et/ou de neurodégénérescence pour la MA (Chapitre 3). La troisième étude avait pour but d’examiner les réseaux cérébraux fonctionnels associés aux régions montrant de l’hyperactivation chez des individus à risque de développer la MA. Elle avait également pour objectif d’évaluer comment l’hyperactivation et ces réseaux cérébraux fonctionnels sont reliés aux performances en mémoire (Chapitre 4). Les résultats découlant de l’étude 1 ont permis de mettre en évidence la présence d’hyperactivation chez des individus présentant un TCL et ayant ultérieurement progressé vers le stade de démence. Les trouvailles de l’étude 2 indiquent qu’une fonction quadratique décrit la relation entre des indices de sévérité de la maladie et l’activation pariétale supérieure gauche chez un groupe d’individus à risque de développer la MA (DCS+ et TCL). Par ailleurs, des niveaux supérieurs d’activation, c’est-à-dire de l’hyperactivation, étaient retrouvés dans les hippocampes + et plusieurs régions temporo-pariétales dans le groupe d’individus DCS . Une hypoactivation pariétale supérieure gauche était plutôt retrouvée chez les individus TCL. Enfin, les résultats de l’étude 3 indiquent que l’hyperactivation de régions prédéterminées est associée à la dysfonction de réseaux cérébraux fonctionnels impliqués dans les processus de mémoire associative dans le DCS+ et le TCL. De plus, ces interactions hyperactivation-réseaux étaient associées à une symptomatologie cognitive croissante. Les implications de cette thèse et ses limites sont abordées dans la discussion (Chapitre 5). / Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of dementia in older adults. Its early diagnosis is essential to better understand the brain mechanisms underlying the phenotypical manifestation of the disease and develop consequent interventions. The study of individuals at risk of AD, for example those presenting with subjective cognitive decline (SCD) or mild cognitive impairment (MCI), offers the opportunity to examine the neuropathophysiological processes preceding the dementia stage. This would allow, among other things, to identify early biomarkers of the disease. The general aim of this thesis was to determine the presence of cerebral hyperactivation and to assess functional brain networks associated with hyperactivation. Hyperactivation is defined by the presence of higher levels of brain activation in individuals at risk of AD (i.e. SCD, MCI) in comparison to cognitively healthy controls. Hyperactivation is most often measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI) while participants perform a cognitive task. In this thesis, the reader will first be exposed to the studies which used fMRI to examine patterns of brain activation and connectivity in individuals with a clinical diagnosis of AD, MCI or presenting with SCD. Theoretical models resulting from these studies will then be presented. The scientific issues remaining to be addressed to better understand the phenomenon of hyperactivation and its relation to functional brain networks will then be described (Chapter 1). Three empirical studies forming the core of this thesis will be presented. The first study aimed to assess the presence, localization and longitudinal evolution of hyperactivation associated with an episodic memory task in individuals meeting criteria for MCI and having subsequently progressed towards dementia (Chapter 2). The second study aimed to determine the trajectory of brain activation associated with an associative memory task as a function of disease severity in a group of individuals at risk of AD. It also aimed to determine if hyperactivation is present in viii participants meeting criteria for SCD plus (or SCD+), who are individuals presenting with memory complaint in addition to genetic and/or neurodegeneresence markers of AD (Chapter 3). The third and last study aimed to examine patterns of functional connectivity related to regions of hyperactivation, and to assess how hyperactivation and its associated functional networks relate to memory performance in individuals at risk of AD (Chapter 4). Results from the first study highlighted the presence of hyperactivation in individuals with MCI who subsequently progressed to the dementia stage. Findings from the second study revealed a quadratic function describing the relationship between proxies of disease severity (neurodegeneration, memory performance) and left superior parietal activation in a group of individuals at risk of AD (SCD+ and MCI). Moreover, higher levels of activation, i.e. hyperactivation, were found in hippocampal and temporo-parietal regions in the SCD+ group. Hypoactivation was rather found in the left superior parietal area in the MCI group. Finally, results from the third study revealed that hyperactivation of predetermined regions was associated with dysfunction of functional brain networks underlying associative memory in SCD+ and MCI. Moreover, these hyperactivation-network interactions were associated with increasing symptomatology. The implications of this thesis and its limits are addressed in the discussion section (Chapter 5).

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.:CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Alzheimer’s disease 1 1.2 APP processing and β-amyloid production 2 1.3 Cholinergic dysfunction in Alzheimer’s disease 5 1.4 Cerebrovascular abnormalities in Alzheimer’s disease 8 1.5 Cholinergic innervation of intracortical cerebral microvessels 9 1.6 Transgenic Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease 11 1.7 Aim of study 14 CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS 2.1 Materials 15 2.1.1 Chemical reagents used 15 2.1.2 Biological reagents used 15 2.1.3 Preparation of solutions and buffers 15 2.1.4 Antibodies and reagents used for immunohistochemistry 17 2.1.5 Transgenic animals 19 2.2 Methods 20 2.2.1 Tissue preparation and sampling of sections 20 2.2.2 Immunohistochemistry 20 2.2.2.1 Protocol of immunofluorescent labeling 20 2.2.2.2 Protocol of immunoperoxidase labeling (ABC technique) 21 2.2.2.3 Combination of primary and secondary antibodies 22 2.2.2.4 Protocol of β–amyloid immunolabeling (Formic acid epitope retrieval method) 23 2.2.3 Histochemistry 23 2.2.3.1 Thioflavin S staining 23 2.2.3.2 Nissl staining 23 2.2.3.3 Solanum Tuberosum Lectin (STL) staining 24 2.2.4 Double and triple-coloured immuno-/ histochemical staining of brain sections 24 2.2.5 Microscopy and digital image processing 25 2.2.6 Morphological and morphometric analyses 25 2.2.6.1 Cortical microvessels 25 2.2.6.2 Cortical cholinergic innervation 27 2.2.6.2.1 Total density of VAChT-immunoreactivity 27 2.2.6.2.2 Estimation of the density of varicosities on cholinergic fibres 29 2.2.6.3 Estimation of cholinergic perivascular innervation of cortical microvessels 29 2.2.6.4 Three-dimensional-imaging of vessels innervation 30 2.2.7 Statistical analysis 30 CHAPTER 3: RESULTS 3.1 Developmental and amyloid plaque-related changes in cerebral cortical capillaries in transgenic Tg2576 Alzheimer mice 31 3.1.1 Morphological distribution of brain vessels in the cerebral cortex of wild type mice 31 3.1.2 Microvessel density under plaque burden 33 3.2 Developmental and amyloid plaque-related changes in cholinergic neurotransmission in cholinoceptive target regions of transgenic Tg2576 mice 39 3.2.1 Visualisation of cholinergic nerve terminals in mouse brain 39 3.2.2 VAChT-Expression in wild type and transgenic Tg2576 mice 40 3.3 Role of cholinergic system in β-amyloid-related changes in the cerebrovascular system of transgenic Tg2576 mice 46 3.3.1 Solanum tuberosum lectin (STL) histochemistry in visualisation of brain vessels, β-amyloid, and microglia 46 3.3.1.1 Solanum tuberosum lectin and brain vessels 46 3.3.1.2 Solanum tuberosum lectin and β-amyloid plaques 47 3.3.1.3 Solanum tuberosum lectin staining to visualize glial cells 48 3.3.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 and wild type mice 50 CHAPTER 4: DISCUSSION 4.1 β-Amyloid and brain vascular system: the vascular hypothesis of Alzheimer’s disease 55 4.1.1 Evidences of a role of vascular mechanisms in Alzheimer’s disease 55 4.1.2 Effect of β-amyloid on brain vascular system 57 4.1.3 Effect of ischemia and hypoperfusion on APP processing 59 4.1.4 Effect of β-amyloid on cholinergic function in brain vascular system 59 4.2 Aim of study and main results obtained 61 4.3 Age-related changes in cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 62 4.4 Age-related changes of cholinergic terminals in cholinoceptive target regions in the presence and absence of β-amyloid plaque load 64 4.4.1 VAChT – a reliable marker for detection of cholinergic terminals in cerebral cortex 64 4.4.2 The barrel field of the somatosensory cortex 1 (S1BF) as a model region to reveal age-related changes in cholinergic innervation 65 4.4.3 VAChT expression: morphological and morphometric studies 66 4.5 Age-related changes in cholinergic innervation of cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 69 4.5.1 STL – a mono-marker for detection of cortical vessels, senile amyloid plaques and activated microglia in cerebral cortex 69 4.5.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 mice 70 4.5.3 Quantitation of cholinergic input on cerebral microvessels of mouse brain 71 4.6 Summary and conclusions 75 REFERENCES 77

Les mécanismes de type prion sont désormais reconnus comme sous-tendant la plupart des maladies neurodégénératives humaines, avec en premier lieu la maladie d’Alzheimer (MA) au niveau de ses 2 marqueurs spécifiques, l’amyloïde β (Aβ à l’origine de l’hypothèse étiopathogénique de la cascade amyloïde) et la protéine Tau phosphorylée. Par ailleurs la protéine du prion (PrPC) est décrite comme interagissant à de multiples niveaux avec le métabolisme de l’Aβ sans que les mécanismes physiopathologiques sous-jacents n’aient pu être expliqués. Pour sortir de l’impasse actuelle concernant le développement d’approches thérapeutiques efficaces pour la MA, l’industrie pharmaceutique a besoin de modèles expérimentaux innovants. En effet, à ce jour aucun modèle in vivo, en dépit des progrès réalisés avec les souris transgéniques, n’arrive à refléter la complexité cérébrale humaine ni à mimer une MA clinique. Les cultures in vitro en 2D sont quant à elles très éloignées des situations conduisant à l’accumulation d’agrégats protéiques pathologiques. Le but de notre thèse a été d’utiliser dans le domaine des neurosciences les nouvelles perspectives de recherche ouvertes par les technologies des cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS) en développant un modèle de différentiation en 3D pour obtenir des organoïdes cérébraux humains (OC) (mini cerveaux). Leur capacité d’auto-organisation en 3D de tissu neuroectodermique nous a permis de recréer un système complexe mimant différentes structures cérébrales humaines dans lesquelles nous avons pu caractériser les marqueurs attendus. L’étude de l’expression des protéines d’intérêt APP et PrPC pendant la différentiation neurale a permis de caractériser la modulation des niveaux des deux protéines en fonction du temps de culture. Afin d’orienter le modèle vers des mécanismes d’accumulation protéique de type MA, nous avons testé différents inducteurs chimiques dont l’Aftin-5 qui est capable de moduler les voies post-traductionnelles de l’APP. Plusieurs stratégies de traitement ont été adoptées pour induire le clivage de l’APP et la génération d’Aβ. La production des fragments solubles Aβ38, Aβ40, Aβ42 a été mise en évidence par ELISA. Les niveaux générés sont reproductibles et l’augmentation du ratio Aβ42/Aβ40 est cohérente avec les données extrapolées des modèles murins et humains, ce qui a permis de valider notre modèle. Les niveaux d’expression génique et protéique de PrPC et de APP suite au traitement ont été analysés afin de mieux déterminer le rôle de l’interaction entre ces deux facteurs. L’objectif à long terme consiste à améliorer ce modèle, dont les limites actuelles sont notamment l’absence de vascularisation et le niveau de maturation du tissu neural. Le défi majeur dans le cadre de la culture des OC consiste donc à favoriser l’intégration du système vasculaire, et par ailleurs à accélérer le vieillissement in vitro pour l’étude de maladies neurodégénératives. La perspective de pouvoir automatiser le système de culture des OC permet d’envisager l’utilisation de ce modèle à plus grande échelle dans le cadre de test de cytotoxicité et/ou de criblage pharmacologique à haut débit pour identifier de nouvelles molécules thérapeutiques pour la MA. / Prion-like mechanisms are known to underlie most of human neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease (AD), which is characterized by two important pathological markers, β amyloid (or Aβ at the origin of the etiopathogenic amyloid cascade hypothesis) and phosphorylated tau protein. Furthermore, the prion protein (PrPC) interacts at multiple levels with the metabolism of Aβ, by mechanisms which are not well understood. To overcome the current limits in the development of efficient strategies to treat AD, the pharmaceutical industry requires innovative experimental models. However, even if a lot of progress has been achieved by using transgenic mouse models, to date no in vivo model can reflect the complexity of human brain or reproduce a clinical context. 2D in vitro cell culture models are unable to allow the aggregation and accumulation of pathological proteins as observed in vivo. The aim of this study consists in taking advantage of the research prospects offered by induced pluripotent stem cell (iPSCs) in the field of neurosciences. iPSCs can be used to generate 3D models of differentiation also called human cerebral organoids or mini-brains (MBs). Their ability to self-organise in 3D neuroectodermic tissue leds to a complex system that mimics different human cerebral structures in which we were able to characterize the expected markers. The study of the two proteins of interest (APP and PrPC) during neural differentiation has allowed us to follow the modulation of protein expression level occurring during the in vitro development of the human MBs. In order to use this model to reproduce the protein accumulation mechanisms seen in AD, we have tested chemical inductors such as Aftin-5 in order to modulate the APP post-transcriptional pathway towards a pathological outcome. Many strategies of treatment are adopted to lead APP cleavage and Aβ generation. The production of soluble fragments Aβ38, Aβ40, Aβ42 in the supernatant of organoids has been showed using ELISA technique. The levels generated are reproducible and the increase of Aβ42/Aβ40 ratio is consistent with extrapolated data from mouse and human models thus validating our model. Analysis at the gene and protein level has been assessed in order to understand the interaction between PrPC and APP after treatment. The long-term goal consists in improving this model which is notably hampered by the absence of vascularization and the low level of maturation of the neural tissue. The main challenge in MB culture thus consists in the integration of the vascular system, and also in increasing the speed of ageing process in vitro for the study of neurodegenerative diseases. In the long term, the prospect of automating the culture of MBs would allow the use of the system for cytotoxicity testing and/or high throughput screening for the discovery of new drugs for AD.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie cérébrale dégénérative qui entraîne une perte progressive de la mémoire, un déclin cognitif et une détérioration graduelle de la capacité d'une personne à faire face à la complexité et à l'exigence des tâches quotidiennes nécessaires pour vivre en autonomie dans notre société actuelle. Les traitements pharmacologiques actuels peuvent ralentir le processus de dégradation attribué à la maladie, mais ces traitements peuvent également provoquer certains effets secondaires indésirables. L'un des traitements non pharmacologiques qui peut soulager efficacement les symptômes est la thérapie assistée par l'animal (T.A.A.). Mais en raison de certaines limitations telles que le prix des animaux et des problèmes d'hygiène, des animaux virtuels sont utilisés dans ce domaine. Cependant, les animaux virtuels animés, la qualité d'image approximative et le mode d'interaction unidirectionnel des animaux qui attendent passivement les instructions de l’utilisateur, peuvent difficilement stimuler le retour émotionnel entre l'utilisateur et les animaux virtuels, ce qui affaiblit considérablement l'effet thérapeutique. Cette étude vise à explorer l'efficacité de l'utilisation d'animaux virtuels à la place d’animaux vivants et leur impact sur la réduction des émotions négatives chez le patient. Cet objectif a été gardé à l'esprit lors de la conception du projet Zoo Therapy, qui présente un environnement immersif d'animaux virtuels en 3D, où l'impact sur l'émotion du patient est mesuré en temps réel par électroencéphalographie (EEG). Les objets statiques et les animaux virtuels de Zoo Therapy sont tous présentés à l'aide de modèles 3D réels. Les mouvements des animaux, les sons et les systèmes de repérage spécialement développés prennent en charge le comportement interactif simulé des animaux virtuels. De plus, pour que l'expérience d'interaction de l'utilisateur soit plus réelle, Zoo Therapy propose un mécanisme de communication novateur qui met en œuvre une interaction bidirectionnelle homme-machine soutenue par 3 méthodes d'interaction : le menu sur les panneaux, les instructions vocales et le Neurofeedback. La manière la plus directe d'interagir avec l'environnement de réalité virtuelle (RV) est le menu sur les panneaux, c'est-à-dire une interaction en cliquant sur les boutons des panneaux par le contrôleur de RV. Cependant, il était difficile pour certains utilisateurs ayant la MA d'utiliser le contrôleur de RV. Pour accommoder ceux qui ne sont pas bien adaptés ou compatibles avec le contrôleur de RV, un système d'instructions vocales peut être utilisé comme interface. Ce système a été reçu positivement par les 5 participants qui l'ont essayé. Même si l'utilisateur choisit de ne pas interagir activement avec l'animal virtuel dans les deux méthodes ci-dessus, le système de Neurofeedback guidera l'animal pour qu'il interagisse activement avec l'utilisateur en fonction des émotions de ce dernier. Le système de Neurofeedback classique utilise un système de règles pour donner des instructions. Les limites de cette méthode sont la rigidité et l'impossibilité de prendre en compte la relation entre les différentes émotions du participant. Pour résoudre ces problèmes, ce mémoire présente une méthode basée sur l'apprentissage par renforcement (AR) qui donne des instructions à différentes personnes en fonction des différentes émotions. Dans l'expérience de simulation des données émotionnelles synthétiques de la MD, la méthode basée sur l’AR est plus sensible aux changements émotionnels que la méthode basée sur les règles et peut apprendre automatiquement des règles potentielles pour maximiser les émotions positives de l'utilisateur. En raison de l'épidémie de Covid-19, nous n'avons pas été en mesure de mener des expériences à grande échelle. Cependant, un projet de suivi a combiné la thérapie de RV Zoo avec la reconnaissance des gestes et a prouvé son efficacité en évaluant les valeurs d'émotion EEG des participants. / Alzheimer’s disease (AD) is a degenerative brain disease that causes progressive memory loss, cognitive decline, and gradually impairs one’s ability to cope with the complexity and requirement of the daily routine tasks necessary to live in autonomy in our current society. Actual pharmacological treatments can slow down the degradation process attributed to the disease, but such treatments may also cause some undesirable side effects. One of the non-pharmacological treatments that can effectively relieve symptoms is animal-assisted treatment (AAT). But due to some limitations such as animal cost and hygiene issues, virtual animals are used in this field. However, the animated virtual animals, the rough picture quality presentation, and the one-direction interaction mode of animals passively waiting for the user's instructions can hardly stimulate the emotional feedback background between the user and the virtual animals, which greatly weakens the therapeutic effect. This study aims to explore the effectiveness of using virtual animals in place of their living counterpart and their impact on the reduction of negative emotions in the patient. This approach has been implemented in the Zoo Therapy project, which presents an immersive 3D virtual reality animal environment, where the impact on the patient’s emotion is measured in real-time by using electroencephalography (EEG). The static objects and virtual animals in Zoo Therapy are all presented using real 3D models. The specially developed animal movements, sounds, and pathfinding systems support the simulated interactive behavior of virtual animals. In addition, for the user's interaction experience to be more real, the innovation of this approach is also in its communication mechanism as it implements a bidirectional human-computer interaction supported by 3 interaction methods: Menu panel, Speech instruction, and Neurofeedback. The most straightforward way to interact with the VR environment is through Menu panel, i.e., interaction by clicking buttons on panels by the VR controller. However, it was difficult for some AD users to use the VR controller. To accommodate those who are not well suited or compatible with VR controllers, a speech instruction system can be used as an interface, which was received positively by the 5 participants who tried it. Even if the user chooses not to actively interact with the virtual animal in the above two methods, the Neurofeedback system will guide the animal to actively interact with the user according to the user's emotions. The mainstream Neurofeedback system has been using artificial rules to give instructions. The limitation of this method is inflexibility and cannot take into account the relationship between the various emotions of the participant. To solve these problems, this thesis presents a reinforcement learning (RL)-based method that gives instructions to different people based on multiple emotions accordingly. In the synthetic AD emotional data simulation experiment, the RL-based method is more sensitive to emotional changes than the rule-based method and can automatically learn potential rules to maximize the user's positive emotions. Due to the Covid-19 epidemic, we were unable to conduct large-scale experiments. However, a follow-up project combined VR Zoo Therapy with gesture recognition and proved the effectiveness by evaluating participant's EEG emotion values.