Les connaissances des voies moléculaires et cellulaires régulant le développement neuronal dans le cerveau adulte peuvent être utilisées pour mettre au point des stratégies efficaces de thérapie de remplacement cellulaire. L’étude de la dynamique et des mécanismes nécessaires à la neurogenèse adulte, requiert des techniques d’imagerie en temps réel. En outre, il est important de développer des méthodes d'imagerie sans marqueurs. Mon travail vise, en partie, à relever ces défis. Les néo-neurones générés chez l’adulte migrent densément le long des vaisseaux sanguins et des tubes gliaux dans le courant de migration rostral (CMR). Cet alignement peut créer une anisotropie qui peut être détectée en lumière polarisée. J'ai d'abord essayé cette technique pour la détection sans marqueurs des cellules migratrices dans le CMR. Bien que l’imagerie avec la lumière polarisée suscite certaines espérances, elle a toutefois fait apparaître que l'anisotropie des cellules migratrices est très faible et que sa détection est entravée par des signaux de fortes intensités provenant des axones myélinisés se trouvant à proximité. Ensuite, j'ai étudié la migration des neuroblastes marqués viralement pour élucider certains mécanismes nécessaires à leur migration. La signalisation GABAergique joue un rôle important dans la migration neuronale, déterminée par le gradient chlorique trans-membranaire. Ce dernier est, à son tour, contrôlé par KCC2, un co-transporteur responsable de l'extrusion de Cl-. Il est connu que KCC2 est exprimé dans les stades de développement plus avancés. Toutefois, le rôle de KCC2 dans la migration neuronale est inconnu et mes expériences suggèrent que ce co-transporteur est impliqué dans la migration radiale, mais pas tangentielle, de neuroblastes. Enfin, j'ai exploré in vivo comment la plasticité structurelle des néo-neurones générés chez l’adulte dans le bulbe olfactif (BO) est modulée par les odeurs. On ne sait pas comment le fonctionnement du BO s’ajuste à l’environnement olfactif de facon rapide lorsque de nouvelles synapses de néo-neurones ne sont pas encore formées. Mes données in vivo d'imagerie à deux photons complètent les travaux antérieurs de notre laboratoire, révélant une nouvelle forme de plasticité structurale dans le cerveau adulte. Ainsi, en utilisant diverses méthodes d'imagerie j'ai essayé de mieux comprendre la migration et la plasticité des nouveaux neurones dans le cerveau adulte. / The knowledge about molecular and cellular pathways orchestrating neuronal development in the adult brain can be used to build up efficient strategies for cell replacement therapies. Adult neurogenesis is a very dynamic process, and it is crucial to monitor it directly to decipher mechanisms required for neuronal development. Furthermore, it is important to develop label-free imaging methods. My work is, in part, aimed at addressing these challenges. Adult-born neurons migrate densely along blood vessels and glial tubes in the rostral migratory stream (RMS). This alignment may create anisotropy which can be detected in polarized light. I first tried this technique for label-free detection of migratory cells in the RMS. While this imaging may have some promises, it showed that anisotropy in migrating cells is quite low and its detection is hampered by large signals deriving from nearby myelinated axons. I further studied the migration of virally labeled neuroblasts to elucidate some of the mechanisms required for their migration. GABAergic signaling plays an important role in neuronal migration and is defined by transmembrane Cl- gradient. This, in turn is controlled by the Cl- extruding co-transporter KCC2, known to have a late developmental expression. The role of KCC2 in neuronal migration is unknown and my experiments suggest that this co-transporter is involved in the radial, but not tangential migration of neuroblasts. Finally, I explored in vivo the odor-related structural plasticity of adult-born neurons in the olfactory bulb (OB). It remains unknown how OB functioning is adjusted to rapidly changing odor environment when new synapses of adult-born neurons have not yet been formed. My in vivo two-photon imaging data complements the previous work in our lab, revealing altogether a new form of structural plasticity in the adult OB. Thus, using diverse imaging methods I tried to better understand the migration and plasticity of new neurons in the adult brain.

L’expression synaptique de la sous-unité α5 des récepteurs GABAA (α5-RGABAA) a été montrée dans les interneurones (INs) inhibiteurs de la zone CA1 de l’hippocampe. Cependant, les types de synapses qui expriment cette α5-RGABAA et son rôle fonctionnel n’ont pas encore été déterminés. En utilisant une association d’enregistrements de "patch-clamp" en configuration cellule entière, d’optogénétique et de la technique d’immunohistochimie, nous avons étudié l’expression synaptique de la α5-RGABAA et ses modifications dans un modèle animal d’épilepsie du lobe temporal (ELT). Nos données montrent que la α5-RGABAA est exprimée aux synapses inhibitrices formées par le réseau de cellules qui expriment la calrétinine (CR+) sur différents types d’INs du stratum oriens-alveus (O/A) de l’hippocampe. De plus, nous avons observé un déclin précoce de la α5-RGABAA dans les INs de l’O/A pendant l’ELT ce qui pourrait contribuer à la désinhibition et à l’hyperexcitabilité de ces INs et aurait donc des conséquences sur l’activité du réseau entier.

Le traumatisme craniocérébral (TCC) est l'une des causes principales du fardeau sur les soins de santé mondialement et son incidence augmente au fil du temps. Le cerveau lésé étant très vulnérable aux lésions cérébrales secondaires, les interventions en phase aiguë de soins visent à améliorer l'oxygénation cérébrale. L'administration de concentrations élevées en oxygène est une pratique couramment utilisée dans les soins des patients victimes de TCC grave afin de prévenir l'hypoxie cérébrale, mais son bénéfice reste incertain. Nous avons effectué une analyse secondaire d'une étude prospective multicentrique pancanadienne menée chez des patients adultes admis à l'unité de soins intensifs suivant un TCC grave. L'objectif de notre étude était d'évaluer l'association entre l'hyperoxémie et les issues neurologiques fonctionnelles à long terme chez ces patients. Nos issues cliniques secondaires étaient la mortalité, la qualité de vie et la durée de séjour à l'hôpital et à l'unité de soins intensifs. Notre étude à visée exploratoire n'a pas montré d'association entre l'hyperoxémie et le pronostic neurologique à long terme, la mortalité ou la qualité de vie suivant un TCC grave. Nos résultats contribuent à élucider la sécurité de l'hyperoxémie en évaluant les issues fonctionnelles sur une durée plus longue que ce qui a été rapporté dans des études précédentes. De surcroît, l'exposition à l'hyperoxémie a été objectivée durant une période de sept jours, soit bien plus que dans les travaux antérieurs. Un vaste essai clinique randomisé multicentrique est nécessaire afin d'établir les cibles optimales d'oxygénation dans cette population de patients. / Traumatic brain injury (TBI) is one of the leading causes of the global burden on health care, and its incidence is increasing over time. The injured brain being susceptible to secondary cerebral injury, interventions in the acute phase of care aim at improving oxygen delivery to the brain. The administration of high concentrations of oxygen is a common practice in the care of severe TBI patients to prevent cerebral hypoxia, but its benefit remains uncertain. We performed a post-hoc analysis of a prospective, pan-Canadian multicenter study (TBI-Prognosis) in adult patients admitted to the intensive care unit following a severe TBI. The objective of our study was to assess the association between hyperoxemia and long-term functional neurological outcomes in these patients. Secondary outcomes were all-cause mortality, quality of life, and length of stay (in-hospital and intensive care unit). In our exploratory study, no association was found between hyperoxemia in the acute phase of care and long-term neurological outcome, mortality, or quality of life. Our results contribute to elucidating the safety of hyperoxemia by assessing functional outcomes over a longer period of time than has been reported in previous studies. In addition, exposure to hyperoxemia was objectified over a period of seven days, which is much longer than in previous work. A large multicenter randomized clinical trial is needed to establish the optimal oxygenation targets in this patient population.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) du noyau sous-thalamique (NST) est devenue un traitement reconnu dans la maladie de Parkinson (MP) de stade avancé. Le principal facteur influençant la réponse à la SCP est l'emplacement des contacts de l'électrode par rapport au NST. Cette étude rétrospective vise à évaluer à la fois la précision de l'acte chirurgical ainsi que la localisation des contacts actifs, par rapport aux bordures du NST. L'objectif de la chirurgie au CHA-HEJ est d'implanter une électrode à quatre contacts au sein du NST et plus précisément, placer deux contacts à l'intérieur du NST ainsi qu'un au dessus et un en dessous. Pour vingt-trois patients ayant subi une chirurgie de SCP-NST bilatérale, la cible théorique a été calculée selon différentes façons à savoir, à partir des noyaux rouges, du point situé entre les commissures antérieure et postérieure (ACPC) et des données d'électrophysiologie obtenues lors d'une seule et unique trajectoire de microenregistrement peropératoire (MER). Une fusion des images par résonnance magnétique nucléaire (IRM) préopératoires et postopératoires a été effectuée. Une première étape consistait à évaluer la précision de l'acte chirurgical en mesurant la distance entre la cible théorique et l'artefact ferromagnétique représentant la position finale de l'électrode. À l'aide d'un algorithme basé sur des notions pythagoriciennes et trigonométriques, une deuxième étape consistait à déterminer la localisation de chacun des contacts des électrodes, par reconstruction tridimensionnelle, et ce, dans le référentiel ACPC. Finalement, la localisation des contacts actifs utilisés en clinique a été étudiée en fonction des bordures du NST déterminées par MER. Les résultats ont montré que la différence moyenne entre la cible théorique et la cible finale est de 0,77 mm (±0,59) en X et 0,78 mm (±0,59) en Y (p<0,05). Pour 22/35 électrodes (62,9 %), la cible théorique et la cible finale se chevauchent. Différents facteurs pouvant affecter la précision d'implantation ont été étudiés tels que le genre, le déplacement cérébral « brain shift » et la largeur du troisième ventricule en fonction de l'évolution de la maladie et en aucun cas, ces facteurs n'ont eu d'impact significatif (p> 0.05). La localisation de l'ensemble des contacts en fonction des bordures du NST a été déterminée et ils sont majoritairement situés à l'intérieur du NST. En dépit de la stratégie chirurgicale utilisée, cette distribution tend vers le haut. Par ailleurs, la plupart des contacts actifs se situent à l'intérieur du NST et aucun n'est localisé en dessous du NST. Le point de stimulation moyen a également été déterminé par reconstruction (AP(x)=-2,33±0,99, LAT(y)=ll, 67±l, 81, VERT(z)=-2,39±l, 76) et il est situé au niveau de la bordure supérieure du NTS moyen. En conclusion, la procédure chirurgicale utilisée dans notre milieu démontre un bon degré de précision et les contacts actifs les plus souvent utilisés en clinique sont ceux qui se situent dans la région dorsale du NST, région décrite par la littérature comme la plus efficace pour le traitement des symptômes de la MP.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2020-2021

Des études démontrent que la stimulation magnétique transcrânienne répétitive (rTMS) appliquée au cortex moteur diminue les douleurs neuropathiques. L'objectif de ce mémoire était d'évaluer l'effet d'une session de rTMS appliquée au niveau de différentes représentations motrices corticales (membres inférieurs (MI) / membres supérieurs (MS)), comparé à un placebo, sur les douleurs neuropathiques de personnes ayant une blessure médullaire, ainsi que de documenter les changements neurophysiologiques. Une diminution de douleur à court terme fut observée pour les conditions MS et ML Les changements neurophysiologiques, observés via la représentation de la main, démontraient une excitabilité augmentée uniquement pour la condition MS, tandis que la représentation spatiale se déplaçait dans des directions opposées pour les conditions MS et ML. L'application de rTMS au cortex moteur diminue la douleur neuropathique indépendamment de la région motrice stimulée, suggérant que cet effet analgésique n'est pas associé à l'effet local induit, mais serait plutôt attribuable à des mécanismes distants.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la forme de démence la plus fréquente dans le monde. Au niveau microscopique, le cerveau des patients atteints par la MA présente deux principales caractéristiques pathologiques : les plaques amyloïdes, constituées d'agrégats du peptide Aβ (Amyloïde Bêta), et les dégénérescences neurofibrillaires, formées par des agrégats de la protéine Tau anormalement hyperphosphorylée. Parmi les facteurs endogènes qui pourraient participer à la progression de la MA, il y a les microARNs (miRs). Les miRs sont des petits ARNs non codants qui régulent l’expression de gènes cibles au niveau post-transcriptionnel. En particulier, la famille miR-132/212 est fortement régulée à la baisse dans le cerveau des patients atteints de la MA. Des études précédentes ont démontré que, chez la souris 3xTg-AD, un modèle de la MA, la délétion génétique de la famille miR-132/212 conduit à une augmentation de la phosphorylation et de l’agrégation de la protéine Tau, les deux mécanismes présumés à la base de la formation des dégénérescences neurofibrillaires. En dehors de son rôle dans la MA, la famille miR-132/212 est également impliquée dans plusieurs troubles neurologiques. Notamment, son niveau d’expression est dérégulé dans d’autres pathologies neurodégénératives, telles que la démence fronto-temporale et la maladie de Parkinson. Il est donc possible que la famille miR-132/212 contribue au processus neurodégénératif de ces pathologies. Dans ce contexte, les travaux présentés visent à étudier le rôle de la famille miR132/212 dans la MA et, plus généralement, dans le cerveau. Tout d’abord, puisque la famille miR-132/212 a déjà un rôle connu dans la formation des dégénérescences neurofibrillaires, nous avons évalué son implication dans la formation des plaques amyloïdes, deuxième caractéristique pathologique de la MA. Nous avons ainsi démontré que la délétion génétique de la famille miR-132/212 favorise la production du peptide Aβ et la formation de plaques amyloïdes chez le modèle murin 3xTg-AD. En utilisant une approche d’ARN-Seq et de bio-informatique, nous avons identifié des gènes faisant partie du réseau de la famille miR-132/212 qui ont des rôles dans la régulation du métabolisme de l'Aβ, y compris Tau, Mapk et Sirt1. En accord avec ces résultats, nous avons montré que la modulation du miR-132, ou de sa cible Sirt1, peut réguler directement la production d’Aβ dans les cellules. Finalement, nous avons démontré que les niveaux de la famille miR-132/212 corrèlent avec la quantité des plaques amyloïdes chez l'Homme. Ensuite, afin d’élucider le rôle de la famille miR-132/212 dans le cerveau, nous nous sommes concentrés sur l’identification de cibles régulées par cette dernière. Dans un premier temps, cette analyse a été conduite dans plusieurs modèles cellulaires in vitro, dans lesquels le rôle du miR-132, un des deux composants de la famille, a été spécifiquement étudié. Dans ce contexte, nous avons démontré que les cibles régulées par le miR-132 sont peu nombreuses et spécifiques au type cellulaire considéré. Dans un deuxième temps, l’analyse d’identification des cibles a été conduite dans un modèle de souris de délétion conditionnelle pour la famille miR-132/212 que nous avons spécifiquement généré. Nous avons ainsi caractérisé des cibles et des réseaux moléculaires modulés par la famille miR-132/212 dans ce modèle. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que i) Le réseau de la famille miR-132/212, dont Sirt1 et probablement d'autres gènes cibles, participe à la production du peptide Aβ et la formation de plaques amyloïdes dans la MA ; ii) Même si le miR-132 peut potentiellement cibler un grand nombre de gènes simultanément, son ciblage est sélectif et spécifique au contexte cellulaire étudié. Enfin, les résultats obtenus mettent en évidence un ensemble de nouvelles cibles et de voies de signalisation régulées par la famille miR-132/212. En conclusion, ces travaux contribuent à l'avancement des connaissances du rôle physiologique et pathologique de la famille miR-132/212 dans le cerveau. / Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia in the world. At the microscopic level, two main pathological features characterize the brain of AD patients: amyloid plaques, consisting of aggregates of the Aβ (Amyloid Beta) peptide, and neurofibrillary tangles, formed by aggregates of abnormally hyperphosphorylated Tau protein. Endogenous factors that may be involved in the progression of AD include microRNAs (miRs). MiRs are small non-coding RNAs that regulate the expression of target genes at the post-transcriptional level. In particular, the miR-132/212 family is strongly downregulated in the brain of AD patients. Previous studies have shown that in the 3xTg-AD mouse model of AD, the genetic deletion of the miR-132/212 family leads to an increase in phosphorylation and aggregation of Tau protein, two mechanisms leading to the formation of neurofibrillary tangles. Apart from its role in AD, the miR-132/212 family is also involved in several neurological disorders. In particular, its level of expression is deregulated in other neurodegenerative pathologies, such as frontotemporal dementia and Parkinson's disease. It is therefore possible that the miR-132/212 family contributes to the neurodegenerative process of these pathologies. In this context, the work presented aims to study the role of the miR-132/212 family in AD and, more generally, in the brain. First of all, since the miR-132/212 family already has a known role in the formation of neurofibrillary tangles, we wanted to evaluate its involvement in the formation of the other major pathological feature of AD: the amyloid plaques. We have demonstrated that the genetic deletion of the miR-132/212 family promotes Aβ production and amyloid plaque formation in the 3xTg-AD mice. Using RNA-Seq and bioinformatics, we identified genes of the miR-132/212 network with documented roles in the regulation of Aβ metabolism, including Tau, mapk, and sirt1. Consistent with these findings, we show that the modulation of miR-132, or its target sirt1, can directly regulate Aβ production in cells. Finally, we have shown that miR-132/212 levels correlate with the amount of amyloid plaques in humans. Then, in order to elucidate the role of the miR-132/212 family in the brain, we focused on identifying targets regulated by the miR-132/212 family. In a first step, this analysis was conducted in several in vitro cell models, in which the role of miR-132, one of two components of the family, was specifically studied. In this context, we have demonstrated that the targets regulated by miR-132 are few and specific to the cell type considered. In a second step, the target identification analysis was conducted in a conditional knockout mouse model for the miR-132/212 family that we specifically generated. We have therefore characterized the molecular targets and networks modulated by the miR-132/212 family in this model. Taken together, these results suggest that i) miR-132/212 network, including Sirt1 and likely other target genes, contributes to abnormal Aβ metabolism and senile plaque deposition in AD; ii) Although miR-132 can potentially target a large number of genes simultaneously, its targeting is selective and specific to the cellular context studied. Finally, the results obtained highlight a set of new targets and signalling pathways regulated by the miR-132/212 family. In conclusion, this work contributes to the advancement of the knowledge of the physiological and pathological role of the miR-132/212 family in the brain.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 octobre 2023) / L'obésité est de plus en plus décrite comme une maladie neurocomportementale résultant d'une vulnérabilité neurologique combinée à un environnement obésogène. Depuis 2020, plusieurs organismes décrivent l'obésité comme une maladie chronique, complexe, évolutive et récidivante fort répandue se caractérisant par une accumulation anormale ou excessive de graisses corporelles nuisibles à la santé. De plus, il est maintenant connu que l'obésité est associée à des altérations de l'intégrité et de la densité des matières blanche et grise au niveau du cerveau. La chirurgie bariatrique est un bon modèle pour étudier ces altérations, puisqu'elle mène à une perte de poids significative et à des améliorations métaboliques. Nos études récentes ont démontré une augmentation de la densité de matière blanche et grise 4 et 12 mois après la chirurgie bariatrique dans plusieurs régions du cerveau. Nous avons aussi rapporté que la densité des matières blanche et grise dans ces régions est plus faible chez les participants présentant une obésité, suggérant une récupération des altérations de matière blanche et grise post-chirurgie. Il demeure toutefois incertain si ces changements persistent dans le temps. Le Chapitre 1 de ce mémoire présente les résultats d'une étude prospective visant entre autres à examiner la récupération de la densité des matières blanche et grise 24 mois après la chirurgie bariatrique. Nos résultats montrent des augmentations étendues de la densité des matières blanche et grise jusqu'à 24 mois après la chirurgie qui sont reliées à la perte de poids et à l'amélioration du profil métabolique. Nous avons aussi montré que des diamètres adipocytaires omentaux plus élevés sont significativement associés à de plus grandes augmentations de densité totale de matière blanche à 24 mois, et une tendance est observée avec le diamètre adipocytaire sous-cutané à 24 mois. Dans le futur, il sera intéressant d'étudier le lien entre les changements structuraux et la fonction cognitive, ainsi qu'examiner les changements à plus long terme après la chirurgie bariatrique. / Obesity is increasingly described as a neurobehavioral disease resulting from a neurological vulnerability combined with an obesogenic environment. Since 2020, several organizations have described obesity as a widespread, chronic, complex, progressive and relapsing disease characterized by abnormal or excessive accumulation of body fat that is detrimental to health. In addition, it is now known that obesity is associated with alterations in the integrity and density of white and grey matter in the brain. Bariatric surgery is a good model to study these alterations, since it leads to significant weight loss and metabolic improvements. Our recent studies have demonstrated widespread increases in white and gray matter density 4 and 12 months after bariatric surgery that spatially overlap with the brain alterations observed in participants with obesity, suggesting recovery from post-surgical white and gray matter alterations. However, it is not known whether these changes persist over time. Chapter 1 of this master thesis presents the results of a prospective study to examine among others the recovery of white and grey matter density 24 months after bariatric surgery. Our results show widespread increases in white and gray matter density up to 24 months after surgery that are related to weight loss and improved metabolic profile. We also show that higher omental adipocyte diameters are significantly associated with greater increases in total white matter density at 24 months, and a trend is observed for subcutaneous adipocyte diameter at 24 months. In the future, it will be interesting to study the relationship between structural changes and cognitive function, as well as examine longer-term changes after bariatric surgery.

Le sujet principal de cette thèse est la segmentation 3D de tumeurs du cerveau et de leurs différentes composantes (oedème et nécrose), ainsi que de structures internes du cerveau en IRM. Pour la segmentation de tumeurs nous proposons un cadre général qui est une combinaison des paradigmes fondés sur les régions et les contours. Dans ce cadre, nous segmentons d'abord le cerveau en utilisant une méthode adaptée aux cas pathologiques et extrayons des informations globales sur la tumeur par analyse de symétrie. La deuxième étape segmente la tumeur et ses composantes. Pour cela, nous proposons une méthode nouvelle et originale qui combine l'information de régions et de contours en deux phases. Pour la première, l'initialisation, nous présentons deux nouvelles méthodes. La première est une nouvelle méthode de classification floue qui exploite à la fois l'information des voxels et leurs voisinages (inspirés des champs Markov (MRF)), l'appartenance et la typicalité. La seconde se fonde sur l'analyse de la symétrie. La segmentation initiale de la tumeur est raffinée dans la deuxième phase par un modèle déformable contraint par des relations spatiales. Les relations spatiales sont obtenues en utilisant la segmentation initiale et les tissus environnant la tumeur. La méthode proposée peut être employée pour une grande classe de tumeurs dans n'importe quelle modalité en IRM. Pour segmenter une tumeur et ses composantes automatiquement, le cadre proposé a besoin seulement d'une image CE-T1w (con- trast enhanced T1-weighted) et d'une image FLAIR. Dans le cas d'une image CE-T1w seulement, l'interaction de l'utilisateur peut être nécessaire. Nous avons évalué cette méthode sur une base de données de 20 images CE-T1w et 10 images FLAIR avec différents types de tumeurs. Un autre but de cette thèse est la segmentation de structures internes du cerveau en présence d'une tumeur. Pour cela, une connaissance a priori sur l'anatomie et l'organisation spatiale des structures est fournie par une ontologie. Pour segmenter chaque structure, nous exploitons ses relations spatiales par rapport à d'autres structures, selon la connaissance a priori. Nous choisissons alors les relations spatiales qui sont valables en fonction de la tumeur segmentée. Ces relations spatiales sont alors modélisées dans un cadre flou proposé par notre groupe. Comme pour la tumeur, la procédure de segmentation de chaque structure comporte deux étapes. Dans la première étape nous recherchons la segmentation initiale de la structure dans le cerveau globalement segmenté. Le processus de recherche est fait dans la région d'intérêt fournie par la fusion des relations spatiales. Pour segmenter globalement les structures du cerveau nous employons deux méthodes. La première est la classification floue propos ée et la seconde repose sur les ensembles de niveaux multi-phases. Pour raffiner la segmentation initiale, nous employons un modèle déformable qui est contraint par les relations spatiales de la structure. Cette méthode a été également évaluée sur 10 images CE-T1w pour segmenter les ventricules, les noyaux caudés et les thalami.

Diss.--Philosophische Fakultät--Düsseldorf--Heinrich-Heine-Universität, 1993.