La mesure de la perte du volume cérébral est un marqueur IRM de la neurodégénérescence dans la sclérose en plaques. Les techniques actuelles permettent de quantifier soit directement la perte de volume cérébral entre deux examens, soit de la mesurer indirectement à partir du volume cérébral de chaque examen. La fiabilité de ces techniques reste difficile à évaluer en l'absence de gold standard. Ce travail a consisté premièrement, en une étude de reproductibilité réalisée chez 9 patients à partir d'acquisitions semestrielles (3 IRM), sur deux machines différentes et post-traitées par sept algorithmes : BBSI, FreeSurfer, Intégration Jacobienne, KNBSI, un algorithme Segmentation / Classification, SIENA et SIENAX. Deuxièmement, un suivi longitudinal et prospectif a été effectué chez 90 patients SEP. L'étude des variabilités inter-techniques et inter-sites a montré que les techniques de mesures indirectes (Segmentation/Classification, FreeSurfer) et SIENAX fournissaient des pourcentages d'atrophie hétérogènes. A l'inverse, les techniques de mesures directes telles que BBSI, KNBSI, Intégration Jacobienne et à un moindre degré SIENA obtenaient des résultats reproductibles. Toutefois BBSI, KNBSI et l'Intégration Jacobienne obtenaient des pourcentages faibles, suggérant une possible sous-estimation de l'atrophie. L'évaluation de la perte du volume cérébral par Intégration Jacobienne a montré sur 2½ ans de suivi, une atrophie de 1,21% pour les 90 patients et de 1,55%, 1,51%, 0,84%, 1,21% respectivement pour les patients CIS, RR, SP et PP. A l'avenir l'évaluation de la perte de volume cérébral impose des défis d'ordre technique afin d'améliorer la fiabilité des algorithmes actuels.

L’âge, le génotype et les traumatismes crâniens (TCC) sont trois facteurs de risque majeurs du développement de la maladie d’Alzheimer (MA). Avec une accumulation d’évidences démontrant la persistance d’anomalies cérébrales suite aux plus légers des TCC, qui affichent d’ailleurs la plus haute incidence, il devient impératif de tester l’hypothèse selon laquelle même les commotions cérébrales puissent interagir avec l’âge et les gènes afin de précipiter la neurodégénération. Trente ex-athlètes de haut niveau (âge M = 60 ans), dont la moitié a subi des commotions cérébrales il y a plus de 30 ans, ont été évalués en neuropsychologie, en neuroimagerie multimodale ainsi qu’en génétique. De nombreuses mesures neuroanatomiques, dont l’expansion du volume des ventricules latéraux, se trouvent à corréler avec divers déficits cognitifs (mémoire différée et de reconnaissance) détectés chez les participants commotionnés. D’un intérêt particulier, certains de ces résultats sont modulés par le polymorphisme nucléotidique simple du gène Apolipoprotéine E. Ces résultats appuient l’hypothèse selon laquelle la commotion cérébrale chez de jeunes athlètes serait un facteur de risque de neurodégénération dans le vieillissement normal. / Age, genotype and traumatic brain injury (TBI) are three of the most important risk factors of Alzheimer’s Disease. With a growing body of evidence showing the persistent deleterious effects of the mildest form of TBI, it becomes imperative to test the hypothesis that sports concussion could interact with aging to precipitate neurodegeneration. Thirty former high-level athletes (mean age = 60 yrs), half of them having sustained sports concussion during their young adulthood, underwent neuropsychological, neuroanatomical and APOE genotype examination. Data analysis revealed numerous neurobiological anomalies, such as ventricular enlargement, correlating with cognitive deficits (delayed and recognition memory) in concussed participants. Of particular interest, some neuroanatomical measures were found to be modulated by APOE single-nucleotide polymorphisms. These findings support the idea that sports concussions sustained in early adulthood are a risk factor of neurodegeneration in late adulthood.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les capacités de réserve cérébrale représentent les capacités de résilience du cerveau face à différents processus lésionnels comme ceux induit par la maladie d’Alzheimer (MA). Plusieurs hypothèses ont été proposées afin d’expliquer ce mécanisme. Les deux concepts les plus validés sont celui de la réserve cérébrale faisant référence au substrat cérébral et la réserve cognitive faisant référence à la fonctionnalité cérébrale. Les données épidémiologiques puis d’imagerie ont permis d’identifier des expériences de vie associées à de meilleures capacités de réserve cérébrale. Le niveau d’études, la profession exercée et la pratique d’activités de loisirs sont ainsi des indicateurs du niveau potentiel de capacités de réserve d’un sujet. L’objectif général de ce travail de thèse avait pour objectif de mieux caractériser les relations entre ces indicateurs et les capacités de réserve cérébrale. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la relation entre ces expériences de vie et le substrat cérébral à partir de données d’imagerie recueillies au cours du suivi de la cohorte des 3 cités à Bordeaux. Nous avons ainsi montré que seul le niveau d’éducation était associé à des différences de volume de substance grise et de substance blanche entre les sujets de haut et bas niveau d’études. Par ailleurs, les sujets de haut niveau d’études présentaient une progression moindre en hypersignaux de substance blanche au cours du suivi de la cohorte des 3 cités indépendamment de la présence de facteurs de risque cardiovasculaires. Le niveau d’étude semble avoir une place non négligeable dans la constitution des capacités de réserve cérébrale et aussi bien dans la réserve cognitive que la réserve cérébrale. Ceci explique le rôle protecteur du niveau d’études vis à vis du risque de démence. Dans un 3ème travail, nous nous sommes servis de cette relation particulière entre le niveau d’études et la démence afin d’illustrer comment un facteur social peut être un facteur de maladie chronique liée à l’âge et comment en le modifiant, on peut éventuellement modifier la survenue de cette maladie. Enfin, nous nous sommes intéressés à la relation entre la pratique d’activités de loisirs au cours de la retraite et le risque de démence à partir des données de la cohorte Paquid. La pratique de jeux de société est associée à un moindre risque de démence mais le lien fort avec la cognition ne permet pas d’éliminer une causalité inverse. Cependant, un engagement plus important dans la pratique d’activités de loisirs au cours de la retraite est associé à un risque moindre de démence équivalent à des sujets ayant toujours pratiqué des activités. Des essais d’intervention permettraient de confirmer l’effet bénéfique de la pratique d’activités de loisirs sur la cognition et le risque de démence. / The brain reserve capacities represent the resilience of the brain to cope against different pathological processes such as Alzheimer's disease (AD). Several hypotheses have been proposed to explain this mechanism. The two most validated concepts are the brain reserve referring to brain volume and cognitive reserve referring to brain function. Epidemiological and imaging data helped identify life experiences associated with better brain reserve capacities. Thus, the education, occupation and practice of leisure activities are recognized as proxies of the brain reserve capacities. The main objective of this thesis aimed to better characterize the relationship between these proxies and the brain reserve capacities. First, from brain imaging data collected during follow-up of the three cities cohort of Bordeaux, we examined the relationship between life experiences and brain volume. Only the education was associated with differences in gray and white matter volume. In addition, highly educated subjects had a smaller progression of white matter hyperintensities during the follow-up of this cohort independently of the presence of cardiovascular risk factors. Education seems to have a significant role in the formation of brain reserve capacities in both cognitive reserve and brain reserve. This explains the protective role of educational level against dementia. In a third work, we used this particular relationship between educational level and dementia to illustrate how a social factor can be a factor of a chronic disease related to aging and can modify the occurrence of this disease. Finally, we are interested in the relationship between the practice of leisure activities during retirement and the risk of dementia from data of Paquid study. The practice of playing board games is associated with a lower risk of dementia, but the strong link with cognition not eliminates reverse causality. However, a greater engagement in the practice of leisure activities in retirement is associated with a lower risk of dementia similar to subjects who always practiced activities. Intervention trials could confirm the beneficial effect of the practice of leisure activities on cognition and dementia risk.

L'imagerie optique multispectrale du signal intrinsèque permet d'estimer les variations des paramètres hémodynamiques à partir de la collecte des fluctuations de réflectance, à au moins deux longueurs d'onde, induites par une activation cérébrale. Cette thèse propose une étude méthodologique et instrumentale mais aussi une validation in vivo des développements entrepris. Le calcul des paramètres hémodynamiques nécessite l'application d'une loi de Beer-Lambert modifiée introduisant un terme crucial pour la précision du calcul des variations des paramètres hémodynamiques, le DP, que nous avons estimé par simulation Monte Carlo pour les modèles du cortex somatosensoriel et du bulbe olfactif de rat. Nous montrons ainsi que les variations d'absorption, de diffusion ou d'anisotropie n'influe pas sur les valeurs de DP en dessous de 630 nm, que la géométrie et les propriétés optiques des structures a un impact sur celles-ci. Ainsi, le calcul des DP pour chaque structure cérébrale est indispensable. En outre, le choix des longueurs d'onde d'illumination est décisif et s'apprécie en fonction de deux paramètres, la diaphonie et le séparabilité qui ont été calculés pour déterminer les couples et les triplets de longueurs d'onde optimaux pour l'étude du bulbe olfactif de rat. Il apparaît que les valeurs de séparabilité sont négligeables en raison de la forte absorptivité des tissus biologiques dans le visible et que le choix des combinaisons optimales peut se faire en se basant seulement sur les valeurs de diaphonie. La deuxième étape a consisté à construire un banc d'imagerie multispectrale performant et à le valider ainsi que l'étude méthodologique. Les résultats in vivo montrent une différence flagrante des signaux de réflectance et hémodynamiques entre le cortex somatosensoriel et le bulbe olfactif dont l'origine physique et/ou biologique est discutée. / Multispectral imaging of intrinsic optical signal allows to estimate changes in hemodynamic parameters from the collection of reflectance fluctuations, at least with two wavelengths, induced by cerebral activation. This thesis proposes methodological and instrumental studies but also in vivo validation of developments undertaken. The calculation of hemodynamic parameters requires the application of a modified Beer-Lambert law introducing a crucial term for accuracy of hemodynamic parameters changes calculation, the DP, which had been estimated using Monte Carlo simulation models of the somatosensory cortex and olfactory bulb of rats. We show that the variations of absorption, diffusion or anisotropy does not affect the values of DP, whereas geometry and optical properties of the structures have an great impact on them. Thus, calculation of DP for each studied brain structure is essential. In addition, the choice of wavelength illumination is critical and appreciated in terms of two parameters, crosstalk and separability. Pairs and triplets of optimal wavelengths for rat olfactory bulb study were calculated. It appears that the separability values are negligible due to the high absorptivity of biological tissues in the visible and the choice of optimal combinations can be based only on the values of crosstalk. The second step was to build a bench multispectral imaging performance, to validate it and methodological study. The results show a striking difference hemodynamic and reflectance signals between somatosensory cortex and olfactory bulb, which physical origin and/or biological is discussed.

L’hyperéveil peut être défini comme une augmentation de l’activité émotionnelle, cognitive et physiologique interférant avec le désengagement naturel de l’environnement et réduisant la probabilité de sommeil. Il peut être divisé en 3 catégories étroitement liées et impliquées dans le modèle de l’insomnie chronique tant primaire que concomitante à la dépression majeure (l’hyperéveil somatique, l’hyperéveil cognitif et l’hyperéveil cortical) où il est associé à la présence d’un état d’hypervigilance présent tout au long du cycle de 24h. Cependant, l’hyperéveil semble n’être uniquement présent que dans certains sous-types de dépression majeure caractérisés par un pattern polysomnographique similaire à celui de l’insomnie primaire, tant au niveau de la totalité de la nuit que des tiers de nuit. De plus, chez les individus souffrant d’insomnie et déprimés majeurs, ces altérations polysomnographiques compatibles avec le modèle de l’hyperéveil (courte durée de sommeil, efficience réduite du sommeil et fragmentation du sommeil) sont associées à un risque cardio-métabolique accru par l’intermédiaire d’une action combinée des différentes composantes de l’hyperéveil. Enfin, chez les individus déprimés majeurs présentant une insomnie caractérisée par la présence d’altérations polysomnographiques compatibles avec le modèle de l’hyperéveil, il existe des altérations de la neurotransmission caractérisées par la présence d’une organisation small-world moins efficiente du réseau neuronal durant le sommeil paradoxal et delta. En conclusion, dans l’insomnie et la dépression majeure avec insomnie objective, l’hyperéveil semble être un mécanisme physiopathologique fondamental favorisant la survenue de complications cardio-métaboliques et d’altérations de la neurotransmission durant le sommeil ce qui justifie une prise en charge adaptée de ce phénomène afin de permettre une meilleure prévention cardio-métabolique et une meilleure évolution clinique tant sur le plan symptomatologique que sur le plan cognitif chez ces individus. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est une interface localisée au niveau des cellules endothéliales des capillaires cérébraux. Elle présente des caractéristiques physiques et métaboliques spécifiques restreignant les échanges entre le sang et le cerveau dans le but de maintenir l’homéostasie du système nerveux central. Dans des conditions pathologiques comme l’ischémie cérébrale, la perte de son intégrité provoque l’apparition d’un oedème vasogénique qui aggrave considérablement le pronostic vital des patients. Malheureusement, les mécanismes impliqués dans l’hyperperméabilité vasculaire demeurent inconnus, ce qui limite l’utilisation de la seule thérapie disponible à 5% des patients. Depuis qu’aucun agent pharmacologique n’a réussit à être neuroprotecteur, notre compréhension des rapports entre le sang et le cerveau est remise en cause. La complexité des interactions entre la BHE et les cellules nerveuses a mené au concept d’une unité fonctionnelle dite neurovasculaire. Ainsi de nouvelles stratégies de protection émergent à partir d’observations au niveau vasculaire. Ainsi la première partie de nos travaux a consisté à étudier l’effet vasculoprotecteur potentiel du fénofibrate, un hypolipémiant agoniste du récepteur nucléaire PPAR-a (Peroxisome Proliferator- Activated Receptor-alpha), dont le bénéfice est observé en clinique depuis quelques années et plus récemment dans une étude expérimentale menée chez la souris. Les mécanismes de cette protection aujourd’hui inconnus, pourraient impliquer la BHE réputée très peu perméable à ce fibrate. Un renforcement de la BHE limiterait la formation de l’oedème cérébral. Pour cela nous avons adapté un modèle in vitro syngénique murin de BHE aux études de perméabilité en condition d’OGD (oxygen and glucose deprivation) mimant les conséquences immédiates de l’occlusion, toute première étape de l’accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique. Le modèle consiste en une co-culture de cellules endothéliales primaires de capillaires cérébraux et de cellules gliales primaires. Nos travaux démontrent qu’un traitement préventif au fénofibrate protège l’endothélium en limitant l’hyperperméabilité induite par l’OGD. Cette action protectrice cible exclusivement l’endothélium et dépend de l’activation de PPAR-a démontré par l’absence d’effet protecteur sur les cellules endothéliales dont le gène codant pour PPAR-a a été invalidé. La seconde partie de l’étude s’est intéressée aux dommages vasculaires de la reperfusion, étape plus tardive de l’ischémie cérébrale connue pour aggraver l’oedème vasogénique et mener à des hémorragies fatales. A l’aide de notre modèle in vitro, nous avons étudié l’effet de la réoxygénation sur la perméabilité vasculaire dans le but de se rapprocher des conditions ischémiques in vivo. Après une incubation en condition d’OGD, la co-culture est replacée dans un milieu réoxygéné pendant une période allant de 2h à 24h. La mesure de la perméabilité vasculaire a démontré un profil multiphasique de l’ouverture de la BHE dépendant de la présence des cellules gliales. L’analyse en microscopie électronique des cellules endothéliales a suggéré une modulation fine de la fonctionnalité des jonctions serrées endothéliales. De plus, l’étude en IRM de diffusion chez la souris in vivo a révélé des mouvements d’eau qui suggèrent une perturbation de l’homéostasie hydrique du parenchyme cérébral au voisinage de l’occlusion dans les étapes précoces mais aussi dans les étapes tardives. En conclusion, l’ensemble des travaux met en avant la possibilité d’une préservation pharmacologique de l’intégrité de la BHE au début de l’ischémie cérébrale. Celle-ci montre l’intérêt des approches in vitro utilisant un modèle cellulaire pertinent et caractérisé. La validation de la cible cellulaire et moléculaire du fénofibrate à l’aide de notre modèle ouvre une première voie d’exploration des mécanismes impliqués dans ce phénomène de protection microvasculaire précoce. Cependant, la dysfonction retardée de la BHE est également un élément à prendre en compte pour se rapprocher de la physiopathologie de l’ischémie in vivo et espérer à terme une amélioration de l’approche thérapeutique de cette pathologie. / The Blood brain barrier (BBB) is an interface localised at brain capillary endothelial cells. The BBB possesses both physical and metabolic restrictive properties aiming at the maintenance of the central nervous system homeostasis. But under pathological conditions like ischemic stroke, the loss of BBB integrity induces a cerebral vasogenic edema which considerably worsens the vital prognosis of patients. The mechanisms underlying this vascular hyperpermeability are currently unknown thus limiting the use of the only medical intervention available at only 5% of stroke patients. Since no pharmacological molecule succeeded in being neuroprotective, our understanding of the relationships between blood and brain is questioned. The complex interactions between the BBB and nervous cells have lead to the concept of a functional unit, termed the neurovascular unit. Thus, new strategies are recently emerging from observation of vascular events. Thus, the first aim of our study was to test the potential vasculoprotective action of fenofibrate, a hypolipemic drug known as an activator of the nuclear receptor PPAR-a a (Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-alpha), as benefit against stroke was observed in clinics since a few years, and recently reported in an experimental study. Yet unknown mechanisms, the protective effect may be exerted on the BBB since reported as impermeable to this compound. An early tightening of the BBB would limit the extent of brain edema. Hence, we have adapted a mouse syngenic BBB in vitro cell model to permeability studies under the stress condition found at the early stage of ischemic stroke defined in vitro as oxygen and glucose deprivation (OGD). This stress simulates the early consequences of occlusion. This model consists of a co-culture of primary brain capillary endothelial cells together with primary glial cells. We have demonstrated that a preventive treatment with fenofibrate has a protective effect on the BBB by limiting the hyperpermeability induced by the OGD condition. This effect targets endothelial cells exclusively and depends on PPAR-a activation, as revealed by the absence of protective action of fenofibrate on PPAR-a deficient endothelial cells. The second part of the study has focused on vascular reperfusion injury, a later stage of ischemia known to worsen vasogenic oedema and to lead to fatal haemorrhage. Using our in vitro BBB model, we have studied the effect of reoxygenation on vascular permeability in order to closely simulate in vivo ischemic condition. Following incubation under OGD condition, the co-cultures were placed into an oxygenated culture medium from 2h to 24h. The BBB permeability demonstrated a multiphasic opening of the BBB which depended on glial cells presence. Electronic microscopy analysis of BBB endothelial cells suggested a fine modulation of tight junction functionality. Moreover, the MRI diffusion analysis in mice has revealed particular water movements suggesting an early disturbance in water homeostasis of brain parenchyma in the vicinity of occlusion. In conclusion, this work put forward the idea of a pharmacological BBB protection at the early stage of ischemic stroke. This demonstrates the relevance of in vitro approaches using a pertinent and well characterised cell model. The validation of cellular and molecular targets of fenofibrate opens a way of first exploration of mechanisms involved in this early microvascular protection phenomenon. But the late BBB dysfunction also needs to be taken into account for a complete fitting with in vivo stroke pathophysiology and an improvement of the therapeutic approaches to this pathology.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) est un outil thérapeutique pour le traitement chronique des symptômes de nombreuses maladies, notamment les troubles moteurs et les maladies psychiatriques réfractaires. Cependant, ses mécanismes d’action sont encore peu connus, notamment en ce qui concerne les effets à large échelle sur les réseaux fonctionnels cérébraux. Dans ce travail de thèse, nous avons développé l’imagerie par électroencéphalographie des réseaux corticaux modulés par la SCP au travers de trois études sur des pathologies différentes :• une étude sur les réseaux de l’inhibition motrice chez 12 patients ayant des troubles obsessionnels compulsifs, traités par stimulation de la partie associativo-limbique du noyau subthalamique (NST),• une étude sur les réseaux du contrôle des interférences émotionnelles chez 5 patients dépressifs sévères, traités par stimulation du cortex cingulaire subgénual,• une étude sur le contrôle des interférences émotionnelles chez 16 patients parkinsoniens, traités par stimulation de la partie motrice du NST et comparés à 16 sujets sains.Nous avons mis en place une méthodologie EEG commune reposant sur la correction des artefacts de stimulation, le calcul des potentiels évoqués cognitifs en condition de stimulation ON et OFF, la localisation de sources et la modélisation causale dynamique permettant d’étudier la connectivité des réseaux corticaux-sous-corticaux. La première étude nous a montré que la SCP du NST diminue les sorties efférentes des ganglions de la base vers le cortex frontal inférieur droit qui est une zone centrale de l’inhibition, concomitante d’une altération des performances à l’inhibition. La deuxième étude a déterminé que l’un des corrélats neuronaux de l’amélioration clinique par la SCP de la dépression serait une diminution de l’influence limbique sur le système visuel ventral (hyper-actifs chez ces patients). Cet effet était accompagné d’une augmentation par la SCP des marqueurs cardiaques de l’activité vagale (sous active chez ces patients à risques). Enfin, la troisième étude a mis en évidence un effet différent et opposé des traitements dopaminergiques et de la SCP du NST sur le contrôle de l’interférence émotionnelle chez les patients parkinsoniens. Ces trois études ont donc montré que l’utilisation de la reconstruction de sources et de la MDC en EEG permet de mettre en évidence les effets de la SCP sur le cerveau et de mieux comprendre comment ce traitement modifie les réseaux neuronaux fonctionnels. / Deep Brain Stimulation (DBS) is a chronic clinical tool used to treat symptoms from several diseases, as motor disorders and refractory psychiatric diseases. However, its mechanism are still not well known, especially its large scale effects on brain functional networks. In this PhD, we have developed electroencephalographic imaging of cortical networks modulated by DBS through three studies on different diseases:• the first study on motor inhibition networks in 12 patients with obsessive compulsive disorders, treated with DBS of the associativo-limbic region of the subthalamic nucleus (STN),• the second study on emotional interferences control in 5 severe depressive patients, treated by DBS of the subgenual cingulate cortex,• the last study on emotional interferences control in 16 parkinson’s patients, treated by DBS of the motor region of the STN and compared with 16 healthy subjects.We have used the same EEG methods based on artefact (from stimulation) correction, computation of the cognitive evoked potentials in ON and OFF DBS conditions, source localization and dynamic causal modeling to study cortical-subcortical networks. The first study has shown that STN DBS decreases efferent outputs from the basal ganglia to the right inferior frontal cortex which is a key node of inhibition, simultaneously with an alteration of inhibition performance. The second study has shown that one of the correlates of clinical improvement with DBS in depression would be a decrease of the limbic influence on the ventral visual system (hyperactive in those patients). This effect was concomitant with an increase of vagal activity cardiac indexes with DBS (hypoactive in those patients at risk). Finally, the last study has shown that dopaminergic treatment and STN DBS have different and opposed effects on the emotional interference control in parkinsonian patients. Therefore, these three studies have shown that EEG source reconstruction and DCM are efficient to study DBS effect on the brain and open a way to better understand how DBS modulates neural functional networks.