La douleur neuropathique centrale est une séquelle fréquente après une atteinte du système nerveux centrale. L’impact négatif de ces douleurs sur la qualité de vie des patients ainsi que l’efficacité modérée (40% de répondeurs) des traitements de 1ère intention font de la recherche de thérapies alternatives un enjeu clinique majeur. Depuis plusieurs années, la technique de stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est présentée comme un outil intéressant pour soulager ce type de douleur sans pour autant que son efficacité clinique n’ait été clairement démontrée. Ce travail de thèse s’attache donc à investiguer l’efficacité de la rTMS pour traiter les douleurs neuropathiques centrales. Nous avons dans un premier temps mis en évidence, dans une étude observationnelle, qu’un minimum de 4-5 séances sur deux mois de rTMS à 20HZ sur le cortex moteur primaire (M1) produit un soulagement de la douleur pouvant se maintenir même après une année de stimulation. Afin d’écarter un possible effet placebo, nous avons objectivé l’efficacité antalgique en répliquant ce protocole dans une étude clinique randomisée, contrôlée, en groupes croisés. Les résultats obtenus confirment ceux de l’étude observationnelle puisque que l’effet antalgique de la rTMS active était significativement supérieure à la stimulation placebo pour le critère principal (% de soulagement, +33%) ou l’intensité douloureuse (EVA, -19%), avec 47% de répondeurs. Pour les patients non-répondeurs à la stimulation de M1, nous avons également testé contre placebo, dans une étude randomisée, l’efficacité d’une cible alternative : le cortex somesthésique secondaire (S2). Aucun des patients n’a été soulagé par cette stimulation mais le faible effectif de cette étude ne nous permet pas de conclure définitivement à l’absence d’effet antalgique. Enfin, compte tenu de l’utilisation croissante de nouvelles cibles corticales plus profondes, nous avons à partir de l’enregistrement du champ-magnétique produit par la rTMS dans différents milieux (l’air et modèle ex-vivo), proposé un modèle de distribution de ce champ selon la profondeur de la cible et le type de sonde de stimulation utilisé. Pour conclure, ces travaux objectivent l’effet antalgique de 4 séances de rTMS à 20Hz de M1 sur les douleurs neuropathiques centrales, validant ainsi son utilisation lorsque les traitements de 1ère intention ont échoué. Les résultats obtenus par la stimulation de S2 ainsi que par la modélisation du champ magnétique doivent permettre à de futures études d’explorer de nouvelles cibles corticales pour les patients qui restent encore en échec de traitement. / Central neuropathic pain is a common sequelae after central nervous system injury. Its negative consequences on the quality of life and the moderate efficacy (40% of responders) of first-line treatments make the search for alternative therapies a major clinical challenge. For several years, the technique of repeated transcranial magnetic stimulation (rTMS) is presented as an interesting tool to relieve this sort of pain even though its clinical efficacy has not been clearly demonstrated. The aim of this thesis was to investigate the effectiveness of rTMS to relieve central neuropathic pain.We first demonstrated, in an observational study, that a minimum of 4-5 sessions over two months of rTMS at 20HZ on the primary motor cortex (M1) produces pain relief that can be maintained even after a year of stimulation. In order to rule out a possible placebo effect, we objectified the analgesic efficacy by replicating this protocol in a randomized, controlled, cross-over clinical study. The results obtained confirm those of the observational study since the analgesic effect of the active rTMS was significantly greater than the placebo stimulation for the main criterion (% of pain relief, +33%) or pain intensity (VAS, -19%), with 47% of responders. For patients who did not respond to M1 stimulation, we also tested the efficacy of an alternative target in a randomized study: the secondary somatosensory cortex (S2). None of the patients were relieved by this stimulation, but the small size of this study does not allow us to definitively conclude that there is no analgesic effect. Finally, given the increasing use of new deeper cortical targets in rTMS for pain treatment, we have from the recording of the magnetic field produced by the rTMS in different media (air and ex-vivo model), proposed a magnetic-field distribution model according to the depth of the target and the type of stimulation coils used.To conclude, this work objectify the analgesic effect of 4 rTMS sessions at 20 Hz of M1 to relieve central neuropathic pain, validating its use when first-line treatments have failed. The results obtained by S2 stimulation as well as magnetic field modeling should allow future studies to explore new cortical targets for patients who are still failing treatment

L’excès de synchronisation dans le réseau cortico-sous-cortical est une caractéristique majeure de la maladie de Parkinson. La stimulation cérébrale profonde (DBS) à haute fréquence (HF) des ganglions de la base modifie ces synchronies et améliore significativement les troubles moteurs. Il n’était pas encore connu si l’excès de synchronisation dans le cortex moteur primaire (M1) est présent avant les signes moteurs et si la modulation antidromique des réseaux corticaux via la stimulation HF de la voie hyperdirecte cortico-subthalamique suffit à le désynchroniser. Nous avons étudié la synchronisation des activités spontanées dans M1 de souris juvéniles PINK1 -/-, modèle génétique de Parkinson (PARK6) par imagerie calcique bi-photonique in vitro et l’avons comparée à celle de souris contrôle (P14-P16). Nous avons testé l’impact de la stimulation HF des fibres cortico-subthalamiques (région subthalamique) sur ces synchronies corticales. A un stade précoce, les réseaux M1 présentent un excès de synchronisation et, dans notre modèle de tranche, la DBS HF normalise le patron de synchronisation, plaidant pour un rôle primordial de la modulation antidromique de l’activité corticale via la voie hyperdirecte. En conclusion, nous proposons, grâce à ce modèle génétique progressif, que (1) des activités de réseau pathologiques sont présentes dans M1 bien avant les premiers signes moteurs et (2) que la modulation par voie antidromique de ces réseaux corticaux est un mécanisme essentiel d’action de la DBS HF. Ces résultats montrent qu’une pathologie dégénérative est détectable très tôt dans le développement (neuroarchéologie) mais ne s’exprimer somatiquement que tardivement. / The excess of synchronization of neuronal activities within the cortico-basal ganglia network is a hallmark of the pathophysiology of Parkinson’s disease. High frequency deep brain stimulation (DBS) applied to various basal ganglia nuclei dampens the synchronized activity in the whole network, and brings about a significant motor improvement. However it is not to date established whether an early presymptomatic abnormal pattern of synchronization is present in the primary motor cortex long before motor signs, nor whether its antidromic modulation via the hyperdirect cortico-subthalamic pathway is sufficient to remove its excess of synchronization. To answer these questions we studied the synchronization of spontaneous activities in the primary motor cortex of PINK-/- mice (genetic rodent model of Parkinson’s (PARK6), a progressive model) and compared it with age-matched control mice (P14-16 (wild-type)) by means of two-photon calcium imaging. Secondly, we analyzed in vitro the impact of the high frequency stimulation of cortico-subthalamic fibers on the pattern of synchronization of cortical networks. We show that, (1) at an early stage of development, there is an excess of synchronized activity in primary motor cortical networks and that, (2) antidromic modulation of cortical activity is a key mechanism to account for the normalization of hyper synchronized activity. These results show that a neurodegenerative adult pathology may begin early during development (neuroarcheology) though clinical signs appear late in adulthood. Moreover, antidromic invasion of a network seems to be a key mechanism of deep brain stimulation.

Les ganglions de la base (GB) forment une boucle complexe avec le cortex et le thalamus qui est impliquée dans la sélection de l’action et le contrôle du mouvement. Les activités oscillatoires synchronisées dans le réseau des GB ont été proposées comme pouvant jouer un rôle essentiel dans la coordination du flux de l’information au sein de ces circuits neuronaux. Ainsi, leur dérégulation dans le temps et l’espace pourrait devenir pathologique. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’expression anormalement élevée d’oscillations neuronales comprises dans les gammes de fréquences beta (β, 10-30 Hz) serait la cause des déficits moteurs (akinétique et bradykinétique) de cette maladie. Cependant, les réseaux neuronaux à l’origine des oscillations β et l’implication physiopathologique de celles-ci restent encore inconnus. Le noyau sous-thalamique (NST) est un carrefour anatomique des GB situé au centre de réseaux potentiellement impliqués dans l’émergence de ces états hyper-synchronisés. L’objectif de cette thèse était de déterminer le rôle causal des principales entrées du NST (i.e. le cortex moteur, le globus pallidus, et le noyau parafasciculaire du thalamus) dans le maintien et la propagation des oscillations β. Pour cela, nous avons développé des approches de manipulation optogénétique combinées à des enregistrements électrophysiologiques in vivo dans un modèle rongeur de la MP. L’ensemble de nos travaux démontre la contribution respective des différents circuits neuronaux interrogés et souligne l’importance du globus pallidus dans le contrôle de la propagation et du maintien des oscillations β dans l’ensemble de la boucle des GB. / The basal-ganglia (BG) form a complex loop with the cortex and the thalamus that is involved in action selection and movement control. Synchronized oscillatory activities in basal-ganglia neuronal circuits have been proposed to play a key role in coordinating information flow within this neuronal network. If synchronized oscillatory activities are important for normal motor function, their dysregulation in space and time could be pathological. Indeed, in Parkinson’s disease (PD), many studies have reported an abnormal increase in the expression level of neuronal oscillations contain in the beta (β) frequency range (15-30 Hz). These abnormal β oscillations have been correlated with two mains symptoms of PD: akinesia/bradykinesia. However, which BG neuronal circuits generate those abnormal β oscillations, and whether they play a causal role in PD motor dysfunction is not known. The subthalamic nucleus (STN) is a key nucleus in BG that receives converging inputs from the motor cortex, the parafascicular thalamic nucleus and the globus pallidus. Here, we used a rat model of PD combined with in vivo electrophysiological recordings and optogenetic silencing to investigate how selective manipulation of STN inputs causally influence BG network dynamic. Our data highlight the causal role of the globus pallidus in the generation and propagation mechanisms of abnormal β-oscillations.

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe. / When progressing through a varied environment, an individual will depend on visual information to evaluate the size, shape or the distance and time to contact of objects in his path. This will allow him to plan in advance the gait requirements necessary to avoid or step over these obstacles. This concept is also applicable in situations where the subject must reach a target, as with a predator chasing down its prey. The neural structures involved in generating voluntary gait modifications during locomotion have been extensively studied, but relatively little information is available on the processes that integrate visual information to plan these movements. Numerous studies in the primate suggest that the posterior parietal cortex (PPC) plays an important role in the preparation and execution of visually-guided reaching movements. In this thesis, we investigated the proposition that the PPC is similarly involved in the planning and control of visually-guided locomotion in the cat. Our first study examined the extent of cortico-cortical connections between the PPC and the more frontal motor areas, particularly the motor cortex, using injections of fluorescent retrograde tracers. We mapped the cortical surface of anaesthetized cats to identify the somatotopical representations of the distal and proximal forelimb in the rostral portion of the motor cortex, the forelimb representation in the caudal motor area, and also the hindlimb representation. The injection of different tracers in two selected regions, for every cat, allowed us to visualize the density of divergent and convergent parietal projections to these motor sites. Our analysis revealed a distinct topographical organization of parietal connections with all of the identified motor regions. In particular, the caudal motor representation of the forelimb primarily received projections from the rostral bank of the parietal cortex, while the caudal portion of the PPC strongly projected to the rostral forelimb representation. The latter observation is particularly interesting, since the caudal bank of the PPC receives numerous visual inputs and its target, the rostral motor region, is well-known for its involvement in voluntary motor functions. Therefore, this study suggests that the PPC, through extensive connections with the different somatotopic representations of the motor cortex, could constitute an ideal neural substrate for processes such as inter- and intra-limb coordination, as well as the modulation of visually-guided voluntary movements. Our second study tested the hypothesis that the PPC participates in the modulation and planning of voluntary gait modifications during locomotion in the cat. Using the cortical mapping established in our anatomical study, we recorded the activity of parietal neurons, localized in parts of areas 5a and 5b which are known to project strongly towards motor regions involved in forelimb movements. These recordings were obtained during a locomotion task requiring the cat to step over several obstacles of different sizes. By dissociating the speed of the obstacles from that of the treadmill onto which the cat is walking, our experimental protocol also allows us to increase the importance of visual information from the obstacles and to separate it from the influx of proprioceptive influx generated during locomotion. Our recordings revealed two groups of parietal cells on the basis of their activity in relation with the step over the obstacle: one population, mostly localized in area 5a, discharged solely as the lead forelimb passed over the obstacle (step-related cells), and another group, mainly found in area 5b, that showed significant activity at least one step cycle before the gait modification (step-advanced cells). Additionally, we observed an increase of cell activity in these groups, but particularly in step-advanced cells, when the speed of the obstacles was dissociated from that of the treadmill, demonstrating the growing importance of visual information as the task’s difficulty is increased. Finally, a great number of step-related cells were found to discharge specifically in correlation with muscle activity in the contralateral forelimb, regardless of whether or not it led over the obstacle (limb-specific cells). Inversely, the majority of step-advanced neurons tended to maintain their discharge in phase with the leading limb during the gait modification, independently of its position in relation with the recording site (limb-independent cells). We suggest that this additional disparity indicates diversified functions in PPC activity. For example, limb-specific cells could be involved in modulating the movement of the contralateral forelimb over the obstacle, regardless of its order of passage, while limb-independent neurons could instead specify the type of voluntary movement required to overcome the obstacle. Together, our observations indicate that the PPC can potentially influence the activity of motor centers through extensive cortical networks, and contributes to different aspects of visually-guided locomotion, such as initiation and modulation of voluntary forelimb movements, as well as the planning of these gait modifications to allow an individual to walk through a complex environment.

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité. / According to a dominant theory, the motor cortex is directly involved in pre-programming motor outcome in terms of movement trajectories and electromyographic (EMG) patterns. In contrast, the equilibrium point theory suggests that the motor cortex sets and resets the spatial thresholds, i.e., the positions of body segments at which muscles and reflexes begin to act. Movement parameters thereby emerge without pre-programming, depending on the difference between the actual and the threshold position of the body segments. To choose between these two theories of motor control, we investigated corticospinal influences associated with voluntary changes in elbow joint angle in healthy individuals using transcranial magnetic stimulation (TMS) of the brain site projecting to motoneurons of the elbow muscles. In order to minimize the influence of motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, motor evoked potentials (MEPs) elicited by TMS were obtained during the EMG silent period produced by a brief muscle shortening prior to the TMS pulse. MEPs were obtained at a flexion and an extension elbow angle actively established by subjects. MEPs were recorded from 2 elbow flexors (biceps and brachioradialis) and 2 extensors (medial and lateral heads of triceps). Flexor MEP amplitude was bigger at the elbow flexion position in the case of the biceps and extensor MEPs were bigger at the extension position in both extensors studied (reciprocal pattern). MEPs observed in the brachioradialis did not differ at the two elbow orientations. A similar difference in corticospinal influences at the two elbow positions was often preserved when the tonic activity of elbow muscles was equalized by compensating the passive muscle forces at the two positions with a torque motor. Thus, corticospinal influences and EMG activity were de-correlated and it can be concluded that the corticospinal system is not involved in pre-determining the magnitude of motor commands to muscles. Results suggest that the corticospinal system resets the spatial thresholds for muscle activation when segments move from one position to another. This implies that deficits in spatial threshold control may underlie different neurological motor problems (e.g., hypotonia and spasticity).

No description available.

Les sensations en provenance de notre corps se combinent pour donner lieu à des perceptions extrêmement variées, pouvant aller de la brûlure douloureuse au toucher agréable. Ces deux types d'informations dites nociceptives et non nociceptive sont traitées au sein du système nerveux somatosensoriel. Dans ce travail de thèse, nous avons modélisé et caractérisé l'activité électrique du cortex operculo-insulaire au sein des réseaux somatosensoriels non-douloureux et nociceptif, grâce à des enregistrements non-invasifs chez l'Homme. La validité du modèle en réponse à un stimulus nociceptif a été évaluée par comparaison avec des enregistrements intra-corticaux réalisés chez des patients épileptiques. Nous avons ensuite utilisé ce modèle pour déterminer si la stimulation corticale non invasive classiquement utilisée pour soulager les douleurs neuropathiques (stimulation magnétique du cortex moteur) permettait de modifier les réponses nociceptives chez des participants sains. Nous avons montré que cette intervention n'est pas plus efficace qu'une stimulation factice (placebo) sur le plan du blocage nociceptif. Finalement, nous avons tenté de stimuler directement le cortex operculo-insulaire, par trois méthodes différentes : par stimulation électrique locale, intracrânienne et par stimulations non-invasives magnétique (rTMS) et électrique (tDCS). Dans l'ensemble, les travaux présentés ici montrent comment une approche non-invasive chez l'Homme permet de caractériser et de moduler l'activité du cortex operculo-insulaire, qui pourrait être une cible intéressante pour le traitement des douleurs réfractaires / The somatosensory system participates in both non-nociceptive and nociceptive information Processing. In this thesis work, we model and characterize the electrical activity of the operculo-insular cortex within non-painful and nociceptive networks, using non-invasive electrophysiological recordings in humans. Validity of the modeled response to a nociceptive stimulus was evaluated by comparing it to intra-cranial recordings in epileptic patients, revealing excellent concordance. We went on to use this model to determine whether a technique of non-invasive cortical stimulation currently used to relieve neuropathic pain (motor cortex magnetic stimulation) was able to modulate acute nociceptive processing in healthy participants. We show that this intervention is not more efficacious than placebo stimulation in blocking nociception. This raises questions regarding the mechanisms of action of this technique in patients, which might implicate a modulation of pain perception at a higher level of processing. Finally, we attempted to stimulate the operculo-insular cortex directly, using three different methods. Low-frequency intra-cortical stimulation in epileptic, transcranial magnetic stimulation (TMS) of the same region in healthy participants and multipolar transcranial electrical stimulation (tDCS).Altogether, the studies presented here show how a non-invasive approach in humans allows characterising and modulating the activity of the operculo-insular cortex. While this region might be an interesting target for future treatment of drug-resistant pain, its stimulation in patients would require further investigation of parameters and procedures

No description available.

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) sont des techniques non-invasives permettant de quantifier l’activité GABAergique et glutamatergique du cerveau. La SMT et la SRM ont plusieurs applications en clinique et en recherche. En effet, ces outils peuvent être utilisés afin de déterminer l’efficacité d’un traitement ou la progression d’un processus pathologique. Cependant, malgré leur utilisation croissante dans le domaine médical, une certaine incertitude demeure quant aux substrats neurochimiques de ces techniques et à la stabilité à long terme des données acquises par SMT et SRM. Donc, dans un premier temps, la stabilité à long terme de plusieurs mesures prises par SMT et par SRM a été étudiée. En second lieu, afin de mieux comprendre quelles composantes du système GABAergique sont ciblées par ces deux techniques, des mesures de SRM et de SMT ont été obtenues après l’administration d’une benzodiazépine, le lorazépam, selon un devis expérimental randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Deux articles composent cette thèse. Le premier article fait état d’une étude longitudinale, auprès d’adultes en santé, ayant pour but de déterminer la stabilité à long terme des concentrations de GABA et de Glx (glutamate + glutamine) obtenues par SRM ainsi que la stabilité des mesures d’inhibition et de facilitation corticale obtenues par SMT (rMT : seuil moteur au repos, %MSO : pourcentage d’intensité maximale du stimulateur, SICI : inhibition intra-corticale courte, LICI : inhibition intra-corticale longue, ICF : facilitation intra-corticale). Il a été démontré que les niveaux de GABA et de Glx sont stables au cours d’une période de trois mois. Alors que les mesures SMT de seuil moteur au repos, d’excitabilité corticale et de période corticale silencieuse sont stables à travers le temps, l’inhibition corticale à court intervalle et à long intervalle ainsi que la facilitation corticale sont beaucoup plus variables. Le deuxième article vise à comprendre la dissociation dans la sensibilité des mesures de SMT et SRM à refléter différentes facettes de l’activité GABAergique du cortex moteur. L’article porte sur une étude dans laquelle du lorazépam a été administré à des participants adultes en santé selon un devis randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Des données SRM (GABA et Glx; cortex sensorimoteur et occipital) ainsi que des mesures SMT (cortex moteur) ont été obtenues suivant l’administration de lorazépam (ou de placébo). Il a été démontré que la prise de lorazépam réduisait les niveaux de GABA occipitaux, augmentait l’inhibition corticale et réduisait l’excitabilité du cortex moteur. La prise de médicament n’avait pas d’effet sur les autres mesures obtenues. De plus, il a été trouvé que l’effet du traitement sur l’inhibition corticale dépendait des concentrations endogènes de GABA dans le cortex sensorimoteur; une plus grande concentration de GABA étant prédictive d’une plus grande inhibition corticale suivant la prise de lorazépam. Dans leur ensemble, les résultats provenant des deux articles présentés dans cette thèse permettent de conclure que les mesures SRM des divers neurométabolites sont stables à long terme dans le cortex moteur et pourraient potentiellement servir de marqueurs dans l’évaluation de l’efficacité d’un traitement ou de l’évolution de processus pathologiques. Par contre, bien que certaines mesures SMT soient stables à long terme (rMT, %MSO, CSP), d’autres sont beaucoup plus variables (SICI, LICI, ICF); ainsi, la prudence est conseillée dans l’interprétation de ces mesures lors d’études cliniques. De plus, les effets différents que produit la prise de lorazépam sur les mesures SRM et SMT supportent la théorie selon laquelle les deux techniques n’ont pas les mêmes substrats neurochimiques. En effet, alors que les mesures TMS d’inhibition corticale refléteraient l’activité phasique des récepteurs GABAA, le signal SRM de GABA serait majoritairement intracellulaire et ne représenterait pas la neurotransmission GABAergique. / Transcranial magnetic stimulation (TMS) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) are non-invasive techniques that allow the measurement of GABAergic and glutamatergic activity in the brain. TMS and MRS can be used to assess inhibitory and excitatory mechanisms, treatment response or disease presence and progression in vivo. However, despite their growing use in research and medical settings, ambiguity remains regarding their neurochemical substrates and long-term reproducibility. The goal of the present thesis is twofold. First, the long-term stability and reliability of various MRS and TMS measurements, obtained in the motor cortex, was investigated. Second, to better understand which aspects of the GABAergic network are targeted by the two techniques, TMS and MRS measures reflecting cortical inhibition and excitation were obtained following lorazepam administration using a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover design. Two articles comprise this thesis. The first article is a longitudinal assessment of the stability and reliability of MRS-GABA and Glx (glutamate + glutamine) and TMS measures of cortical inhibition and facilitation in the sensorimotor (SMC) cortex of healthy adults. It was determined that MRS-GABA and MRS-Glx are stable over a three-month interval. TMS measures of resting motor threshold (rMT), cortical excitability (% maximum stimulator output; MSO) and cortical silent period (CSP) were also found to be stable and reliable. However, paired-pulse TMS measures such as short-interval cortical inhibition (SICI), long-interval cortical inhibition (LICI) and intracortical facilitation (ICF) had greater variability. The second article aims to understand the differential sensitivity of TMS and MRS with respect to GABAergic activity in the primary motor cortex. It is based on the results and conclusions of a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover study, where benzodiazepine lorazepam was given to healthy adult volunteers. Magnetic resonance spectroscopy (GABA and Glx) was performed in the sensorimotor cortex and occipital cortex (OC). TMS measurements were acquired in the motor cortex only. MRS and TMS measures of cortical inhibition and excitability (rMT, input/output (I/O) curve, SICI, LICI, ICF, CSP) were obtained following lorazepam or placebo administration. Lorazepam was found to decrease occipital GABA concentration, increase motor cortical inhibition and decrease cortical excitability. Lorazepam administration had no effect on other neurometabolites or TMS measurements. The effect of Lorazepam on short-interval cortical inhibition was found to depend on endogenous GABA levels in the SMC; higher GABA concentrations predicted a greater increase in SICI following drug intake. Taken together, the studies presented in this thesis indicate that MRS neurometabolite levels are stable over time and may thus potentially serve as markers for the monitoring of disease progression and treatment response. However, while some TMS measures have good long-term stability (rMT, %MSO, CSP), others are not as reliable nor stable (SICI, LICI, ICF); care must be taken in clinical settings. Furthermore, the differential effects of lorazepam on MRS and TMS measures support the idea that the two techniques probe different aspects of the GABAergic system. Whereas TMS measures of cortical inhibition reflect phasic GABAA receptor activity, MRS-GABA primarily reflects intracellular, non-neurotransmitter metabolic GABA.

86.000 canadiens souffrent de lésions de la moelle épinière, représentant l’une des causes majeures de paralysie. 70% de ces lésions sont partielles, signifiant qu’une partie des voies de communication entre le cortex, important dans la planification, le contrôle et l’exécution de mouvements volontaires, et la moelle épinière, qui les génèrent, reste préservée. Bien que plusieurs études supportent la grande valeur des stratégies ciblant le contrôle supra-spinal en tant qu’approche pour rétablir la marche, la majorité des interventions de réhabilitation n’engagent pas directement le cortex moteur. Afin de pallier ce manque, nous avons développé une neuroprothèse permettant de stimuler électriquement les deux cortex moteur de façon cohérente lors de la marche. Nous avons utilisé un modèle de chat de contusion thoracique (T10) induisant une paralysie transitoire des membres postérieurs et des déficits locomoteurs à long terme, tel que le traînement du pied. Chez n=3 chats, avant et après contusion spinale, nous avons augmenté la réponse motrice évoquée en optimisant l’amplitude, la synchronisation, la durée et le site de la stimulation. Avant et après la contusion spinale, la neuroprothèse corticale a permis de moduler la trajectoire des membres postérieurs durant la locomotion, tel que démontrée par une augmentation significative de la hauteur du pas et de la vitesse de flexion corrélée avec l’augmentation de l’amplitude de stimulation. Après contusion, notre neuroprothèse bi-corticale a permis une réduction de 40% du traînement en comparaison à la locomotion spontanée. Ces données fournissent une preuve de concept que des protocoles de stimulation corticale peuvent être déployés afin d’améliorer la locomotion et pourraient promouvoir la récupération après une lésion médullaire. / 86.000 Canadians suffer from traumatic spinal cord injury (SCI), which is one of the leading causes of paralysis. Most SCIs are “incomplete”, meaning that some connections between the cortex -which is essential for planning, controlling and executing voluntary movements- and the spinal circuits, which generate them, are spared. Despite several studies supporting the concept that targeting supraspinal centers is a valuable approach to restore walking, most rehabilitation interventions do not directly engage the motor cortex. To address this need, we developed a neuroprosthesis that allows timely delivery of stimulation to the motor cortices during locomotion. We used a cat model of thoracic spinal cord contusion (T10) which induces a transient paralysis of both hindlimbs and long-term locomotor impairments, such as foot drag. In n=3 cats, we bilaterally implanted chronic intracortical electrode arrays within the leg representation of the primary motor cortex. Before and after spinal contusion, we enhanced the evoked motor response by optimizing the amplitude, timing, duration and site of stimulation. Both before and after SCI, we modulated the hindlimb trajectory during gait, which was shown by a significant increase in step height and velocity of flexion that correlated with the increase of stimulation amplitude. After SCI, the use of our bi-cortical neuroprosthesis led to a reduction of 40% in foot drag compared to spontaneous locomotion. These data provide a proof of concept that cortical stimulation protocols can be deployed to improve locomotion acutely after SCI and could be used for movement assistance therapies to promote recovery.