Depuis les dernières années, plusieurs chercheurs se sont consacrés à l'étude du cervelet comme substrat anatomique impliqué dans l'apprentissage d'habiletés. Bien que plusieurs démonstrations empiriques supportent cette hypothèse fonctionnelle, l'ensemble des résultats de ces travaux demeure controversé. Afin de mieux comprendre le rôle possible du cervelet dans ce type d'acquisition, 15 patients porteurs de lésions au cervelet et 20 sujets contrôles appariés ont été évalués à deux épreuves d'apprentissage d'habiletés, l'une visuomotrice et l'autre, cognitive. La tâche d'habileté visuomotrice consiste en la poursuite rotatoire, laquelle nécessite de maintenir le contact entre un stylet et une cible lumineuse tournant à une vitesse constante pendant une période de temps fixe. La tâche cognitive, qui est une version adaptée du jeu "Mastermind", requiert l'utilisation de stratégies afin de trouver les bonnes positions d'une combinaison de couleurs dissimulée par l'expérimentateur. Des tests évaluant la mémoire déclarative des stimuli utilisés lors de l'épreuve cognitive ont aussi été administrés aux sujets de manière à examiner la dissociation possible entre les deux systèmes de mémoire. De façon générale, les résultats démontrent qu'une dysfonction du cervelet affecte la capacité d'apprentissage d'habiletés visuomotrice et cognitive de résolution de problèmes. Des analyses subséquentes indiquent que ces déficits ne peuvent être expliqués par une baisse généralisée du fonctionnement intellectuel, un trouble de l'humeur, des difficultés motrices ou des lésions extérieures au cervelet. Ces données suggèrent donc que l'intégrité du cervelet est nécessaire à l'acquisition implicite d'habiletés visuomotrice et cognitive.

Les travaux rapportés dans cette thèse ont pour objectif principal de mieux comprendre le rôle du striatum et du cervelet dans l’apprentissage d’habiletés visuomotrices et, plus particulièrement, d’approfondir l’apport spécifique de chaque structure dans cette forme de mémoire. La première étude a pour but de vérifier l’hypothèse selon laquelle le striatum serait impliqué dans la phase d’automatisation des apprentissages. La performance de deux sous-groupes de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP), respectivement porteurs de lésions striatales unilatérale et bilatérale, est comparée à celle d’un groupe de sujets témoins à l’aide de la technique de double-tâche. Conformément aux hypothèses, les résultats démontrent que seule une atteinte bilatérale du striatum affecte d’une façon significative la capacité d’effectuer une seconde tâche de nature visuospatiale lors de l’exécution d’une habileté visuomotrice apprise, suggérant ainsi que cette structure participe aux phases avancées de l’acquisition d’habiletés. La deuxième expérience vise à étudier la contribution spécifique du striatum et du cervelet dans l’apprentissage visuomoteur. Pour ce faire, la performance de deux groupes de patients ayant la MP ainsi que celle d’un groupe de patients, porteurs d’une lésion circonscrite au cervelet (CE), sont respectivement comparées à celle de deux groupes de sujets témoins appariés, à l’aide d’une version aléatoire de la tâche de séquence visuelle répétée et d’une nouvelle version de la tâche de tracé-miroir. Pour la première fois, les résultats montrent une double dissociation fonctionnelle entre ces deux structures. Alors que le striatum semble davantage gérer un apprentissage associatif de type perceptivomoteur, le cervelet est particulièrement nécessaire à la mise en séquence de mouvements appris. De nature exploratoire, la troisième étude s’intéresse à la participation du striatum et du cervelet dans la capacité d’adaptation à un changement contextuel à l’aide d’un schème expérimental d’apprentissage d’habiletés. Les résultats suggèrent que les patients parkinsoniens porteurs d’une dysfonction striatale bilatérale, et non ceux ayant une lésion au cervelet, ne peuvent généraliser l’habileté acquise à un autre contexte où ils doivent modifier une partie du plan moteur pour effectuer la tâche. Ensemble, ces données suggèrent non seulement que le striatum et le cervelet participent à l’acquisition.

Les ataxies autosomiques récessives sont un groupe de troubles neurologiques hétérogènes caractérisés par une incoordination brute des mouvements musculaires impliquant le dysfonctionnement nerveux du cervelet qui coordonne le mouvement. Plusieurs formes héréditaires ont été décrites dont la plus connue : l’ataxie de Friedriech. Dans cette thèse nous rapportons l'identification et la caractérisation d’une nouvelle forme dans la population québécoise. L’ataxie récessive spastique avec leucoencéphalopathie (ARSAL; aussi connue comme l’ataxie autosomique récessive spastique de type 3 (SPAX3); OMIM 611390) est la deuxième ataxie spastique décrite dans la population canadienne française. En effet, près de 50 % de nos cas sont originaires de la région de Portneuf. En 2006, nous avons décrit les caractéristiques cliniques de cette nouvelle forme d’ataxie. Un premier criblage du génome entier, constitué de plus de 500 marqueurs microsatellites, a permis la localisation du locus sur le chromosome 2q33-34. Suite au séquençage de plus de 37 gènes candidats et afin de rétrécir cet intervalle candidat, nous avons utilisé une micro-puce d’ADN constituée de marqueurs SNP «single nucleotide polymorphism» et nous avons identifié un deuxième intervalle candidat de 0.658Mb au locus 2q33 dans lequel se trouvent moins de 9 gènes. L’identification et la caractérisation de ces mutations a nécessité l’utilisation de diverses technologies de pointe. Trois mutations (une délétion et deux réarrangements complexes) dans le gène mitochondrial tRNA-synthetase (MARS2) ont été identifiées dans notre cohorte. Nous émettons l’hypothèse que la nature des mutations complexes est responsable d’un dérèglement de la transcription du gène, ce qui a un impact néfaste sur la fonction mitochondriale et le tissu neuronal. / Autosomal Recessive Ataxias are a group of heterogeneous neurological disorders consisting of gross incoordination of muscle movements implying dysfunction of parts of the nervous system that coordinate movement such as the cerebellum. Several hereditary forms exist for these patterns of neurological dysfunction. In this thesis we reported the identification and characterization of a new form in the French-Canadian population. Autosomal Recessive Spastic Ataxia with frequent Leukoencephalopathy (ARSAL; also referred to as Autosomal Recessive Spastic Ataxia type 3 (SPAX3); OMIM 611390) is the second recessive spastic ataxia originally described in the French-Canadian population. Furthermore, close to 50% of our cases share a Portneuf region origin. In 2006 we described the cardinal features of this new form of ataxia. A first genome wide scan was performed on three informative families with microsatellite (single tandem repeat) markers and a parametric linkage analysis. This allowed us to identify a candidate interval on chromosome 2q33-34. Sequencing of more than 37 genes did not uncover the putative mutation. In order to refine this candidate interval, we have a second genome scan using single nucleotide polymorphism SNP markers and we have identified a smaller candidate interval of 0.658 Mb in which there are nine genes. The use of a multimodal approach was required to uncover and characterize the three mutations (one deletion and two complex rearrangements) in the mitochondrial met-tRNA synthetase gene (MARS2). We suggest that complex rearrangement of the 5’ region of the gene has a great impact on the gene transcription regulation, which affect its mitochondrial function and impair the neuronal tissue.

Notre travail a porté : 1) sur l'étude des modifications d'excitabilité corticale au cours du traitement des poussées de sclérose en plaques (SEP) et de l'évolution naturelle des formes progressives de SEP ; 2) sur la caractérisation du tremblement d'action, fréquemment observé dans le cadre de cette maladie et qui constitue une importante source de handicap. Ceci a conduit à la réalisation de 5 études. La première étude a démontré que l'amélioration rapide des performances motrices observées à la suite du traitement de poussées de SEP par une corticothérapie administrée en flash quotidien sur plusieurs jours, s'accompagnait de modifications significatives d'excitabilité corticale étudiée par stimulation magnétique transcrânienne. Ces modifications portaient sur la balance d'influences GABAergiques et glutamatergiques au sein du cortex moteur. Cette augmentation d'excitabilité survient bien avant toute possibilité de remyélinisation ou de régénérescence axonale et constitue donc une amélioration fonctionnelle induite par le traitement. Dans la deuxième étude, différents paramètres d'excitabilité corticale ont été suivis sur un an chez des patients présentant une forme progressive de SEP, traitée ou non traitée. Cette étude a mis en évidence une diminution de l'inhibition intracorticale et une augmentation du seuil moteur au repos chez les patients non traités, accompagnant une augmentation des scores cliniques de handicap. En revanche, les patients traités restaient stables, aussi bien sur le plan neurophysiologique que clinique. Ces résultats montrent que l'évolution de la SEP progressive est associée à une altération globale et évolutive de l'excitabilité du cortex moteur, portant aussi bien sur les neurones pyramidaux que sur les circuits de contrôle inhibiteur, probablement liée à l'aggravation de la perte neuronale au fil du temps. Nos résultats montrent également que différents types de traitement immunomodulateur peuvent arrêter ce cours évolutif. Dans une troisième étude, nous avons caractérisé l'existence d'un tremblement chez 32 patients atteints de SEP au moyen d'enregistrements électromyographiques et accélérométriques réalisés au membre supérieur. Ces enregistrements n'ont permis de confirmer l'existence d'un véritable tremblement que chez un seul patient. L'étude neurophysiologique concomitante de circuits de contrôle cérébelleux et protubérantiels a permis de montrer que la plupart des aspects cliniques de tremblement dans la SEP ne révélait en fait qu'un pseudo-tremblement lié en grande partie à des dysfonctions cérébelleuses. Nos deux dernières études ont permis de préciser ce résultat, au moyen d'une analyse du signal électromyographique et accélérométrique par décomposition modale empirique associée à une transformée de Hilbert-Huang. Cette méthode d'analyse apparaît valide et performante pour caractériser les tremblements et pseudo-tremblements survenant dans la SEP et les distinguer d'autres types de tremblement, comme le tremblement essentiel. / Our work focused on: 1) the study of cortical excitability changes in the treatment of multiple sclerosis (MS) relapses and the natural history of progressive forms of MS; 2) the characterization of action tremor, which is frequently observed in the course of the disease and is a major source of disability. This has led to the realization of five studies. The first study demonstrated that a rapid improvement in motor performance can be observed following treatment of MS relapses by intravenous corticosteroids administered daily over several days, accompanied by significant changes in cortical excitability parameters studied by transcranial magnetic stimulation techniques. These changes focused on the balance between GABAergic and glutamatergic influences in the motor cortex. An increase in cortical excitability occurs well before any possibility of remyelination or axonal regeneration, demonstrating a functional improvement induced by the treatment. In the second study, different parameters of cortical excitability were followed over one year in patients with progressive MS, treated or untreated. This study showed a decrease of intracortical inhibition and increased motor threshold at rest in untreated patients, accompanying a worsening of clinical disability scores. In contrast, treated patients remained stable, both on clinical and neurophysiological parameters. These results show that the evolution of progressive MS is associated with a global and progressive impairment of motor cortex excitability, concerning both pyramidal neurons on inhibitory control circuits, probably due to the progression of cortical neuronal loss over time. Our results also showed that different types of immunomodulatory therapy can stop this evolutionary course. In a third study, we characterized the existence of action tremor in 32 MS patients using electromyographic and accelerometer recordings in the upper limb. These recordings confirmed the existence of a real tremor in only one patient. Concomitant neurophysiological study of cerebellar and pontine circuits of control showed that most of the clinical aspects of tremor in MS in fact revealed a pseudo-tremor largely due to cerebellar dysfunctions. Our last two studies have clarified this result by means of an analysis of the electromyographic and accelerometer signal using empirical mode decomposition associated with Hilbert-Huang transform. This method of analysis appears valid and effective to characterize tremor or pseudo-tremor occurring in MS patients and to distinguish them from other types of tremor, such as essential tremor.

Plusieurs études ont récemment fait l'hypothèse qu'un déficit de l'apprentissage procédural commun aux troubles neurodéveloppementaux pouvait permettre d'expliquer leur fréquente association (Nicolson et Fawcett, 2007). Tout spécialement, les circuits neuronaux impliqués dans cet apprentissage (les boucles cortico-striatale, CS et cortico-cérébelleuse, CC) pouvaient rendre compte avec pertinence de la comorbidité fréquente entre Dyslexie Développementale (DD) et Trouble de l'Acquisition de la Coordination (TAC) : 40 à 60% des enfants présentent en effet la double association. Les circuits neuronaux qui soutiennent l'apprentissage d'une séquence motrice et en particulier d'une tâche de tapping de doigts (FTT, Finger Tapping Task) sont bien connus et modélisés (Doyon, Bellec, Amsel, Penhune, Monchi, Carrier et al., 2009) et concernent tout particulièrement ces deux boucles CS et CC. Nous avons donc choisi dans cette thèse d'observer les modifications cérébrales lors de l'apprentissage d'une FTT, chez des enfants âgés de 8 à 12 ans présentant une DD, un TAC ou l'association des deux troubles. Dans un premier temps, nous avons effectué une analyse des données issues des tests neurospychologiques de l'ensemble des enfants de l'étude (20 DD, 22 TAC et 23 DysTAC). Nos résultats ne montrent pas de différences entre les trois groupes aux tests attentionnels, comportementaux et psychosociaux. Nous trouvons des différences aux subtests du WISC-IV en rapport avec les capacités visuospatiales et motrices (Cubes, Symboles, Indice de Vitesse de Traitement) où le groupe DD se montre plus performant que le groupe TAC. Aucune différence n'est retrouvée entre le groupe comorbide et les deux autres groupes, suggérant d'une part un profil cognitif partagé et commun aux troubles neurodéveloppementaux et d'autre part le caractère non cumulatif de l'association des deux troubles. Dans un second temps, nous avons analysé les données issues de l'imagerie fonctionnelle par résonnance magnétique (IRMf) des 48 enfants ayant effectués la partie IRM (16 DD, 16 TAC et 16 DysTAC) afin d'explorer les activités cérébrales lors de la réalisation d'une FTT à deux stades de l'apprentissage (début d'apprentissage et stade automatique après quinze jours d'entraînement). Nos résultats indiquent que les trois groupes d'enfants ont été capable d'accéder à l'automatisation de la FTT après un entraînement approprié, mais en utilisant des processus cérébraux compensatoires différents entre les groupes. Nos résultats ne confirment pas les hypothèses et le modèle théorique de Nicolson, postulant des déficits spécialisés des boucles CS ou CC en fonction des troubles. Par contre, nos résultats mettent très nettement en évidence des mécanismes cérébraux spécifiques aux enfants TAC. Ces derniers présentent en effet une suractivation des aires attentionnelles et un recrutement de zones cérébrales plus important lors de performances similaires à celles des autres enfants. En dernier lieu, nos données indiquent que les groupes DD et DysTAC présentent un profil commun, tant dans les résultats neuropsychologiques que dans les résultats d'imagerie, alors que le groupe TAC est clairement singulier dans son fonctionnement. / Many studies have pointed out the high frequency of co-morbid associations in neurodevelopmental disorders. However, few of them have given details of cognitive functions in developmental dyslexia (DD) and developmental coordination disorder (DCD) children and still fewer on the association of DD and DCD. The main purpose of this article is to compare the intellectual characteristics of the 3 populations and, in particular, to investigate the cognitive profiles of children with co-occurrence. Recent theories consider that procedural learning may support frequent overlap between neurodevelopemental disorders. In particular, the brain networks involved in this learning (cortico-striatal (CS) and cortico-cerebellar (CC) loops) could account for frequent co-morbidity between DCD and DD (about 40 to 60% of DD and DCD subjects suffer from both disorders). The aim of our study was to investigate cerebral changes due to the motor sequence learning process, especially the finger-tapping task (FTT), from acquisition through automatization, in children with DD, DCD, or DD and DCD. The neural circuitry supporting this action is well-known and well-modelled (Doyon et al., 2009), and includes, among others, CC and CS loops. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) in 48 children (8-12 years old) with neurodevelopmental disorders (16 DD, 16 DCD and 16 DD+DCD) explored their brain activity during FTT, performed either after 2 weeks of training or in the early stage of learning. First, we analyzed the results in all participants (22 DCD, 20 DD and 23 DD+DCD) in tests assessing cognitive (WISC-IV), attentional (CPT-II) and behavioural (CBCL) abilities. No difference was found between the 3 groups in attention testing (CPT) and behavioural characteristics (CBCL). Significant between-groups differences were observed in Processing Speed Index (PSI) score and the block design and symbol search subtests. Post hoc group comparisons showed that DD fared better than DCD children. No significant differences were found between the co-morbid vs. pure groups: co-morbid association did not cause an accumulation of disorders. Second, our results indicated that all children with DD, DCD or both disorders performed the tasks with good automaticity, but suggested that different compensatory brain processes allowed them to access this automatization stage. Our fMRI results do not appear to confirm Nicolson's model but tend more towards shared disability in CS and CC loops for both DD and DCD, with slight between-group differences in these areas. Moreover, and in agreement with the results of previous fMRI studies in DCD children, our data disclosed increasing evidence that this group needs to invest more brain areas to achieve similar performances. Lastly, it appears that the co-morbid and DD groups are very close in cognitive profile (especially on WISC-IV) and in neural correlates associated with our paradigm, while the DCD group presents specific, distinct and particular characteristics. Our data therefore indicate a promising direction for future research on the neural mechanisms linked with learning in neurodevelopmental disorders and in understanding co-morbidity.

Dans le cervelet, l’interaction entre l’activité des fibres parallèles (FPs) et celle de la fibre grimpante (FG), les deux principaux inputs excitateurs des neurones de Purkinje (NPs), engendre des signaux calciques supra-linéaires procurant des informations sur leur activité concomitante. Ce phénomène déclenche des mécanismes synaptiques qui induisent la dépression à court- ou à long-terme des synapses FP-NPs. L’activation des FPs génère des signaux calciques locaux confinés aux épines activées tandis que l’activation de la FG génère une dépolarisation qui se propage passivement dans les dendrites. Cette dépolarisation transitoire qui n’est pas locale joue un rôle important dans la régulation de la signalisation locale des FPs et leur plasticité. L’étude menée durant ma thèse s’est focalisée sur deux principaux points : les canaux dendritiques des NPs activés par la dépolarisation transitoire générée par l’activation de la FG et les mécanismes responsables de la génération des signaux dendritiques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des FPs et de la FG. Les résultats reportés ici ont été obtenus en utilisant des méthodes optiques récemment développés.Nous avons caractérisé le comportement des canaux ioniques dendritiques qui sont activés par la dépolarisation dendritique générés par l’activation de la FG. Nous avons découvert que deux différents groupes de canaux ioniques sont sélectivement activés selon le potentiel membranaire initial. En effet, quand les dendrites sont hyperpolarisées, les CF-EPSPs activent principalement des canaux calciques voltage-dépendant (CCVDs) de type T, des canaux SK et des canaux potassiques voltage-dépendant (CPVDs) de type A. Ces derniers maintiennent le potentiel membranaire en dessous de ~0 mV. En revanche, quand les dendrites sont dépolarisées, les CCVDs de type T et les CPVDs de type A s’inactivent complètement et les CF-EPSPs activent des CCVDs de type P/Q, des CPVDs et des canaux BK. L’activation de cet ensemble de canaux déclenche des spikes calciques. Notamment, nous avons établi l’importance des CPVDs de type A dans le control du deuxième ensemble de canaux. En effet, ils limitent l’activation des CCVDs de type P/Q et les canaux potassiques associés empêchant le déclenchement des spikes calciques.Nous avons démontré que l’activation occurrente de la FG et des FPs induit deux différents types de signaux calciques supra-linéaires. L’induction de l’un ou de l’autre dépend du temps entre l’activation des deux inputs, qui est aussi un principal déterminant des mécanismes impliqués dans la génération des ces signaux calciques. Nous avons trouvé que quand les CF-EPSPs se produisent à de courts délais après la fin du burst des FPs, les signaux calciques supra-linéaires associés sont indépendant de l’activation des mGluR1 et sont générés par l’effet combiné de deux mécanismes : l’augmentation du flux calcique via les CCVD de type P/Q activés par la dépolarisation membranaire médiée par l’activation de FPs inactivant les CPVDs de type A; et la saturation transitoire des buffers calciques endogènes durant le burst des PF-EPSPs amplifiant les concentrations du Ca2+ libre. Quand les CF-EPSPs se produisent à de longs délais après la fin du burst des PF-EPSPs, les signaux calciques supra-linéaires associés dépendent de l’activation des mGluR1 et n’impliquent aucun des mécanismes précédents. Dans ce cas, nous avons démontré que les signaux calciques supra-linéaires sont corrélés avec l’augmentation du flux calcique via les conductances cationiques associées à l’activation des mGluR1.Les résultats reportés ici ont avancé notre compréhension sur la génération des signaux calciques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des PFs et de la FGs ainsi les mécanismes qui y sont impliqués. Néanmoins, nous n’avons pas pu procurer une réponse définitive sur la nature du flux calcique médiant les signaux calciques supra-linéaires dépendant de l’activation des mGluR1s. / In the cerebellum, the interplay between PFs and CF inputs generates supralinear Ca2+ signals that provide the information on their concomitant occurrance. These phenomena trigger both short- and long-term depression at PF-PN synapses associated with motor learning and coordination, i.e. the primary functions of the cerebellum. While activation of PFs elicits local Ca2+ transients that are confined to activated spines, the activation of the CF generates a large depolarization that spreads passively into the dendrites. The CF-mediated transient dendritic depolarization, not localized, plays a fundamental role in dendritic integration and in regulating local PF signals and their plasticity at distal sites. The study carried out in my thesis addressed two crucial questions of this problem: the dendritic ion channels activated by the CF-mediated dendritic depolarization at different initial Vm and the mechanisms underlying dendritic supralinear Ca2+ signals associated with concomitant PF and CF activity. The results reported here were obtained using recent optical methods of Vm imaging and ultrafast Ca2+ imaging with low affinity Ca2+ and high affinity Ca2+ indicators combined with pharmacological analysis.During the first part of my work, I characterized the behavior of the dendritic Ca2+ and K+ channels activated by CF-EPSPs at different initial dendritic Vm, using optical measurements of Vm and Ca2+ transients. We found that two different sets of ion channels are selectively activated at different states. When the dendrite is hyperpolarized, CF-EPSPs mainly activate T-type voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs), SK channels and A-type voltage-gated Ca2+ channels (VGKCs) that limit the transient Vm below ~0 mV. When in contrast the dendrite is depolarized, T-type VGCCs and A-type VGKCs are inactivated and CF-EPSPs activate P/Q-type VGCCs, high-voltage activated VGKCs and BK channels, initiating Ca2+ spikes. We demonstrated that A-type VGKCs play a crucial role in controlling the second set of channels. Indeed, these channels limit the activation of P/Q-type VGCCs and associated K+ channels, preventing Ca2+ spikes.During the second part of my work, we demonstrated that the concomitant activation of PF and CF triggers two different types of supralinear Ca2+ signals. The activation of one or the other path depends on the delay between the activation of the two inputs which is the crucial discriminator of the mechanisms involved in the generation of supralinear Ca2+ signals. We found that when CF-EPSPs occur near the end of a burst of PFs, the associated supralinear Ca2+ transients are independent of the activation of mGluR1 and are produced by a combined effect of two mechanisms: the increased Ca2+ influx through P/Q-type VGCCs enabled by PF-depolarization inactivating A-type VGKCs; and the transient saturation of endogenous Ca2+ buffers during the PF-EPSP burst amplifying free Ca2+ concentration. When CF-EPSPs occur at longer delays after the end of the PF burst, the associated supralinear Ca2+ transients are mGluR1-dependent and do not involve the mechanisms underlying the generation of mGluR1-independent supralinear Ca2+ transients. Instead, an entirely different mechanism is recruited. We found that, the supralinear Ca2+ transients were correlated with an increase in mGluR1-dependent Ca2+ influx via the slow mGluR1-activated cation conductance.The results reported here advance our understanding of the generation of supralinear Ca2+ transients associated with the concomitant PF and CF activity with respect to the potential molecular mechanisms that are involved. Nevertheless, we were not able to provide a definitive answer on the nature of the Ca2+ influx mediating mGluR1-depedent supralinear Ca2+ signals. This issue must be further explored in future experiments.

Cette thèse porte sur la modélisation de la commande motrice chez le Primate suivant deux approches : - Tout d'abord, en suivant une formalisation mathématique de la préparation par le Cerveau des signaux de commande d'un mouvement volontaire dirigé vers une cible. La méthode utilisée dans cette étude a été de recenser les contraintes fonctionnelles et d'en déduire un circuit de traitement des signaux moteurs, compatible avec l'organisation anatomique des voies cérébelleuses. Ce circuit a permis une optimisation hiérarchisée, sous les contraintes de rapidité d'exécution et d'économie de la dépense énergétique. Cette approche a été appliquée à la commande d'un bras robotique à 2 d.d.l mû par des muscles de McKibben, et à la modélisation du système oculomoteur du Primate. - Ensuite, en suivant une approche par codage. Nous présentons ici la conception et la mise au point d'une Interface Cerveau-Machine asynchrone qui décode les données cérébrales enregistrées chez le Macaque afin de contrôler un doigt robotique.

Le cervelet est une structure du cerveau impliquée dans la coordination des actions motrices complexes telles que les mouvements volontaires. Pour remplir cette fonction, le contrôle temporel précis d'une large population de neurones est nécessaire. Alors qu'un grand nombre d'études ont été consacrées à l'étude de l'activité de réseau dans la plupart des grandes structures cérébrales (système thalamo-cortical, les noyaux gris centraux, hippocampe, etc ...), le cervelet reste très peu étudié. Par conséquent, j'ai examiné la présence et les caractéristiques d'une telle organisation chez les rats libres de leurs mouvements, en particulier lorsqu'ils accomplissent une tâche de préhension. Le cortex cérébelleux a une organisation topographique marquée, de sorte que les cellules voisines reçoivent les mêmes afférences et ont des efférences convergentes. Par conséquent, l'étude des propriétés du réseau local dans le cortex cérébelleux permet d'accéder à une activité populationnelle qui est fonctionnellement pertinente. Tout d'abord, j'ai démontré que les multi-électrodes et particulièrement les tétrodes peuvent être utilisées, grâce à un " micro-drive " que j'ai conçu et réalisé, pour enregistrer plusieurs cellules voisines dans des enregistrements chroniques de comportement de rongeurs libres de leurs mouvements.Deuxièmement, j'ai examiné dans la zone du cortex cérébelleux qui contrôle les mouvements des membres la façon dont les cellules principales (les cellules de Purkinje) coordonnent leur décharge pendant le repos et durant une action motrice des membres antérieurs. Par des enregistrements électrophysiologiques simultanés de plusieurs cellules individuelles, j'ai trouvé que les cellules de Purkinje voisines présentent toujours un co-modulation de leur taux de décharge à l'échelle de quelques millisecondes. Cette décharge corrélée est observée pendant le sommeil et d'exploration active, mais elle est accrue au cours de l'exécution de mouvements. Nos résultats indiquent donc que lors d'un mouvement rapide et complexe, les assemblées locales des cellules de Purkinje se forment dynamiquement à des échelles de temps courtes et produisent donc des épisodes très transitoires d'inhibition dans leur cible postsynaptique dans les noyaux cérébelleux. Troisièmement, dans une collaboration avec le groupe de Richard Courtemanche, nous avons étudié le lien entre la décharge neuronale et les oscillations lentes du potentiel de champ local qui sont observées dans le cervelet au repos. Nous avons constaté qu'une grande proportion de cellules de Golgi et les cellules de Purkinje sont modulées pendant les oscillations. Ces résultats indiquent que ces oscillations lentes, qui peuvent également être observées dans le cortex moteur, se propagent dans le cortex cérébelleux. Dans l'ensemble, mon travail a identifié et caractérisé un certain nombre de patrons d'activité populationnelle dans le cortex cérébelleux. L'impact de ces patrons sur le système moteur reste en grande partie à être compris et devrait faire l'objet de futures travaux.

Les ataxies autosomiques récessives sont un groupe de troubles neurologiques hétérogènes caractérisés par une incoordination brute des mouvements musculaires impliquant le dysfonctionnement nerveux du cervelet qui coordonne le mouvement. Plusieurs formes héréditaires ont été décrites dont la plus connue : l’ataxie de Friedriech. Dans cette thèse nous rapportons l'identification et la caractérisation d’une nouvelle forme dans la population québécoise. L’ataxie récessive spastique avec leucoencéphalopathie (ARSAL; aussi connue comme l’ataxie autosomique récessive spastique de type 3 (SPAX3); OMIM 611390) est la deuxième ataxie spastique décrite dans la population canadienne française. En effet, près de 50 % de nos cas sont originaires de la région de Portneuf. En 2006, nous avons décrit les caractéristiques cliniques de cette nouvelle forme d’ataxie. Un premier criblage du génome entier, constitué de plus de 500 marqueurs microsatellites, a permis la localisation du locus sur le chromosome 2q33-34. Suite au séquençage de plus de 37 gènes candidats et afin de rétrécir cet intervalle candidat, nous avons utilisé une micro-puce d’ADN constituée de marqueurs SNP «single nucleotide polymorphism» et nous avons identifié un deuxième intervalle candidat de 0.658Mb au locus 2q33 dans lequel se trouvent moins de 9 gènes. L’identification et la caractérisation de ces mutations a nécessité l’utilisation de diverses technologies de pointe. Trois mutations (une délétion et deux réarrangements complexes) dans le gène mitochondrial tRNA-synthetase (MARS2) ont été identifiées dans notre cohorte. Nous émettons l’hypothèse que la nature des mutations complexes est responsable d’un dérèglement de la transcription du gène, ce qui a un impact néfaste sur la fonction mitochondriale et le tissu neuronal. / Autosomal Recessive Ataxias are a group of heterogeneous neurological disorders consisting of gross incoordination of muscle movements implying dysfunction of parts of the nervous system that coordinate movement such as the cerebellum. Several hereditary forms exist for these patterns of neurological dysfunction. In this thesis we reported the identification and characterization of a new form in the French-Canadian population. Autosomal Recessive Spastic Ataxia with frequent Leukoencephalopathy (ARSAL; also referred to as Autosomal Recessive Spastic Ataxia type 3 (SPAX3); OMIM 611390) is the second recessive spastic ataxia originally described in the French-Canadian population. Furthermore, close to 50% of our cases share a Portneuf region origin. In 2006 we described the cardinal features of this new form of ataxia. A first genome wide scan was performed on three informative families with microsatellite (single tandem repeat) markers and a parametric linkage analysis. This allowed us to identify a candidate interval on chromosome 2q33-34. Sequencing of more than 37 genes did not uncover the putative mutation. In order to refine this candidate interval, we have a second genome scan using single nucleotide polymorphism SNP markers and we have identified a smaller candidate interval of 0.658 Mb in which there are nine genes. The use of a multimodal approach was required to uncover and characterize the three mutations (one deletion and two complex rearrangements) in the mitochondrial met-tRNA synthetase gene (MARS2). We suggest that complex rearrangement of the 5’ region of the gene has a great impact on the gene transcription regulation, which affect its mitochondrial function and impair the neuronal tissue.

L’Imagerie et la Spectroscopie par Résonance Magnétique du proton (IRM et ¹H SRM) sont des méthodes innovantes en toxicologie. Ces outils permettent l’évaluation de l’impact des xénobiotiques in vivo au niveau structural et métabolique respectivement. Dans cette perspective, les travaux de cette thèse ont été réalisés sur deux modèles murins : (i) des injections répétées de gadodiamide chez le rat entrainant une accumulation de gadolinium dans les noyaux profonds cérébelleux (NCP) ; (ii) une exposition à faible dose(20 μg/kg/jour) pendant la gestation et la lactation au bisphénol A (BPA) et à ses dérivés chlorés qui sont des perturbateurs endocriniens.L’étude des effets des injections répétées du gadodiamide a montré un rehaussement du signal des NCP sur des images pondérées T1 à 6 et 11 semaines post-injections. De manière inédite, il a été mis en évidence que le rehaussement du signal des NCP se maintient jusqu’à 1 an post-injections. Il a été également mesuré une augmentation prolongée de la concentration de créatine totale dans les NCP par la méthode de quantification ERETIC digital. Néanmoins, cette variation n’a pas été confirmée par les autres méthodes de quantification conventionnelles (jMRUI et LCModel). Une comparaison des méthodes de quantification en ¹H SRM (ERETIC digital, jMRUI et LCModel) a été réalisée afin de mettre en évidence l’influence de la correction de la ligne de base dans le traitement des spectres ¹H in vivo.Des perturbations précoces des dérivés chlorés du BPA ont été quantifiés chez les jeunes souris mâles et femelles exposées pendant la période périnatale : (i) des modifications de la composition lipidique hépatique, et cela préalablement à tout changement structural ; (ii) des altérations microstructurales et métaboliques au niveau de l’hippocampe. Une méthode de diffusion spectroscopique a été optimisée puisdes expériences in vivo ont été effectuées afin de caractériser ces anomalies de l’intégrité intracellulaire dans le cerveau des souris mâles. / Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy (MRI and ¹H MRS) are new methods in toxicology. These tools allow the assessment of the impact of xenobiotics at structural and metabolic levels respectively. In this perspective, this thesis presents two studies in animal models: (i) repeated administrations of linear gadolinium-based contrast agent (gadodiamide) in rat leading to a deposition of gadolinium in deep cerebellar nuclei (DCN); (ii) gestational and lactational exposure to bisphenol A (BPA) and its chlorinated derivatives at low dose (20 μg/kg/day) which are endocrine disruptors.The study of repeated injections of gadodiamide showed a hypersignal of DCN on T1-weighed images at 6and 11 weeks post-injections. In an unprecedented way, it was demonstrated that the hypersignal of DCN persisted for 1 year post-injections. A prolonged increase of total creatine concentration in DCN was also measured by the quantitation ERETIC digital method. Nevertheless, this variation was not confirmed by other conventional quantitation methods (jMRUI and LCModel). A comparison of quantitation methods in ¹H MRS (ERETIC digital, jMRUI and LCModel) was performed in order to elucidate the influence of baseline correction in the processing of in vivo ¹H spectra.Early disturbances caused by chlorinated derivatives of BPA were quantified in young male and female mice perinatally exposed: (i) modifications of hepatic lipid composition which precedes any structural change; (ii)microstructural and metabolic alterations in the hippocampus. A spectroscopic diffusion method was optimized, leading to in vivo experiments in order to characterize those abnormalities of intracellular integrity in the brain of male mice.