Les malformations du développement cortical (MDC) résultent d’altérations au niveau de différentes étapes de la corticogénèse telles que la prolifération, la migration et la différenciation neuronale et sont généralement associées à des épilepsies pharmaco-résistantes et à des déficiences intellectuelles sévères. Les causes génétiques des MDC restent encore inconnues dans de nombreux cas, nous avons donc réalisé le séquençage de l’exome entier de nombreux patients présentant des MDC et les analyses ont permis de mettre en évidence l’implication des gènes KIF2A et NEDD4L dans les MDC. Dans le cadre de ma thèse, nous proposons de focaliser sur les conséquences cellulaires et neurodéveloppementales résultant des mutations dans les gènes KIF2A et NEDD4L retrouvées chez les patients atteints de MDC. KIF2A code pour une kinésine-13 qui a pour fonction de réguler la dynamique des microtubules (MT) via son activité MT dépolymérase ATP-dépendante aux niveaux des extrémités des MT. L’approche basée sur la technique d’électroporation in utero nous a permis de mettre en évidence le rôle crucial joué par KIF2A dans la régulation de la neurogénèse, la migration neuronale et le positionnement des neurones dans le cortex. En particulier, nos données révèlent que l’expression des mutants KIF2A responsables de MDC entraîne une augmentation du nombre de cellules à l’état de progéniteurs qui est conséquente à un allongement du temps passé dans le cycle cellulaire. Nos premières données cellulaires et au cours du développement montrent que l’expression des mutants KIF2A induit des altérations dans l’intégrité du fuseau mitotique, dans la progression mitotique et également une localisation anormale de KIF2A au niveau du cil primaire. NEDD4L code pour une E3 ubiquitine ligase qui joue un rôle dans l’ubiquitination de nombreux substrats permettant la régulation de leur dégradation et de leur localisation subcellulaire. Dans un premier temps, nos données cellulaires ont montré que les mutants associées à des MDC ont une sensibilité accrue pour la dégradation par le protéasome. De plus, l’approche d’électroporation in utero a permis de montrer que l’expression des mutants NEDD4L ainsi qu’un excès de NEDD4L WT dérégulent la neurogenèse, le positionnement des neurones et le processus de translocation terminal. Des études complémentaires, incluant le traitement à la rapamycine, ont révélé qu’un excès de NEDD4L WT mène à la dérégulation des voies de signalisations mTORC1 et Dab1 tandis que l’expression des mutants est associée à une dérégulation des voies mTORC1 et Akt. L’ensemble de ces résultats renforce donc dans un premier temps l’importance des protéines liées aux MT dans le développement cortical en décrivant le rôle crucial de la kinésine KIF2A dans des mécanismes tels que la dynamique de migration neuronale et dans la régulation du cycle cellulaire des progéniteurs neuronaux. D’autre part, nous fournissons également de nouvelles données permettant de mieux comprendre le rôle critique de NEDD4L dans la régulation des voies mTOR et de leurs contributions dans le développement cortical. / Malformations of cortical development (MCD) result from alterations in different stages of corticogenesis such as proliferation, migration and neuronal differentiation, and are generally associated with drug-resistant epilepsy and severe intellectual disabilities. The genetics causes of MCD remain largely unknown, we have thus performed the whole-exome sequencing of many patients with MCD and reported the identification of multiple pathogenic missense mutations in KIF2A and NEDD4L genes. Within the frame of my thesis project, we propose to focus on the cellular and neurodevelopmental consequences resulting from KIF2A and NEDD4L mutations shown to be involved in MCD. KIF2A is a member of the kinesin-13 family, which rather than regulating cargos transport along microtubules (MT), regulates MT dynamics by depolymerizing MTs. The in utero electroporation approach allowed us to highlight the crucial role of KIF2A in the regulation neurogenesis, neuronal migration and the neuronal positioning in the cortex. Particularly, our data show that the expression of the KIF2A mutants involved in MDC lead to an increase in the number of cells in proliferative state which is a consequence of a prolonged time spent in the cell cycle. Our first cellular data and during development show that the expression of pathogenic KIF2A mutations induce alterations in the mitotic spindle integrity, in the mitotic progression and also an abnormal localization of KIF2A in the primary cilium. NEDD4L encodes a member of the NEDD4 family of HECT-type E3 ubiquitin ligases known to regulate the turnover and function of a number of proteins involved in fundamental cellular pathways and processes. Firstly, cellular and expression data showed sensitivity of MCD-associated mutants to proteasome degradation. Moreover, the in utero electroporation approach showed that PNH-related mutants and excess wild-type NEDD4L affect neurogenesis, neuronal positioning and terminal translocation. Further investigations, including rapamycin-based experiments, found differential deregulation of pathways involved. Excess wild-type NEDD4L leads to disruption of Dab1 and mTORC1 pathways, while MCD-related mutations are associated with deregulation of mTORC1 and AKT activities. Altogether, these results reinforce the importance of MT-related proteins in cortical development describing the crucial role of KIF2A kinesin in mechanisms such as neuronal migration dynamics and neuronal progenitor’s cell cycle regulation. On the other hand, we also provide new data to better understand the critical role of NEDD4L in the regulation of mTOR pathways and their contributions in cortical development.

Les Troubles Obsessionnels et Compulsifs (TOC) sont un trouble mental sévère et fréquemment résistant. La physiopathologie du trouble se caractérise par des anomalies au sein des boucle cortico-striato-thalamo-cortical entrainant une hyper-activité du cortex orbito-frontal, du cortex cingulaire antérieur, du putamen. Au cours des dernières années, des anomalies structurales et fonctionnelles du cervelet ont de plus été mise en évidence dans les TOC venant compléter le modèle existant.Nous avons mise au point un protocole de traitement par tDCS ciblant le cortex orbito-frontal gauche et le cervelet droit pour les TOC résistants. Dans une première étude, nous avons étudié la faisabilité de ce protocole de traitement dans une étude ouverte. Cette étude a mis en évidence une réduction significative des symptômes dans une population de patient à haut niveau de résistance. Dans une deuxième étude, nous avons évaluer l’effet de ce traitement dans un protocole randomisé, contrôlé et parallèle contre placebo. Cette étude n’a pas confirmé l’efficacité de ce protocole de traitement. Dans cette même population, nous avons au cours du protocole mesuré les paramètres d’excitabilité corticale au niveau du cortex moteur par stimulation magnétique transrânienne. Nous avons ainsi mis en évidence que la tDCS provoquait une augmentation significative des processus d’inhibition (Short Interval Cortical Inhibition : SICI ) et une diminution non significative des processus de facilitation (Intra Cortical Facilitation : ICF). L’étude des effets cliniques et électro-physiologiques de cette approche thérapeutique novatrice dans les TOC résistants n’a pas permis de confirmer son intérêt clinique malgré un impact de ce protocole sur les modifications de l’excitabilité corticale inhérentes aux troubles. Ces données ont été mise en relation avec la littérature afin de proposer des perspectives d’évolution dans l’utilisation de la tDCS dans les TOC résistants / Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a severe mental illness. OCD symptoms are often resistant to available treatments. Neurobiological models of OCD are based on an imbalance between the direct (excitatory) and indirect (inhibitory) pathway within this cortico-striato-thalamo-cortical loops, which causes hyperactivation in the orbito-frontal cortex, the cingular anterior cortex, the putamen. More recently, the role of cerebellum in the OCD physiopathology has been brought to light by studies showing structural and functional abnormalities. We proposed to use tDCS as a therapeutic tool for resistant OCD by targeting the hyperactive left orbito-frontal cortex with cathodal tDCS (assumed to decrease cortical excitability) coupled with anodal cerebellar tDCS. In a first study, we studied the feasibility of this treatment protocol in an open-trial. This study found a significant reduction in symptoms in a population with a high level of resistance. In a second study, we evaluated the effect of this treatment in a randomized-controlled trial. This study did not confirm the effectiveness of this intervention. We have assessed motor cortex cortical excitability parameters by transcranial magnetic stimulation. We thus demonstrated that the tDCS caused a significant increase of inhibition processes (Short Interval Cortical Inhibition: SICI) and a nonsignificant decrease in the facilitation processes (Intra Cortical Facilitation (ICF)). In addition, clinical improvement assessed by Clinical Global Impression at the end of the follow-up period (3 months) was positively correlated with SICI at baseline.tDCS with the cathode placed over the left OFC combined with the anode placed over the right cerebellum decreased hyper-excitability in the motor cortex but was not significantly effective in SSRI- resistant OCD patients. These works were discussed in light of the available literature to create future prospect in the field of tDCS treatment for OCD resistant patients

La parcellisation du cerveau humain en aires fonctionnelles est un problème complexe mais majeur pour la compréhension du fonctionnement du cerveau et pourrait avoir des applications médicales importantes en neurochirurgie par exemple pour mieux identifier les zones fonctionnelles à sauvegarder. Cet objectif va de pair avec l’idée de construire le connectome cérébral humain, qui n’est autre que le réseau de ses connexions.Pour définir un tel réseau, il faut en effet définir les éléments de ce réseau de connexions : c’est-à-dire avoir un découpage du cerveau en régions. Il existe de multiples manières et critères pour identifier ces régions et à ce jour il n’y a pas de parcellisation universelle du cortex. Dans cette thèse nous étudierons la possibilité d’effectuer cette parcellisation en fonction des données de connectivité anatomique, issues de l’imagerie par résonance magnétique de diffusion, qui est une technique d’acquisition permettant de reconstruire les faisceaux de neurones cérébraux de manière non invasive. Nous nous placerons dans un cadre surfacique en étudiant seulement la surface corticale et les connexions anatomiques sous-jacentes. Dans ce contexte nous présenterons un ensemble de nouveaux outils pour construire, visualiser et simuler le connectome cérébral humain, dans un cadre surfacique et à partir des données de connectivité anatomique reconstruites par IRM, et ceci pour un groupe de sujets. A partir de ces outils nous présenterons des méthodes de réduction de dimension des données de connectivité, que nous appliquerons pour parcelliser le cortex entier de quelques sujets. Nous proposons aussi une nouvelle manière de décomposer les données de connectivité au niveau d’un groupe de sujets en tenant compte de la variabilité inter-individuelle. Cette méthode sera testée et comparée à d’autres méthodes sur des données simulées et des données réelles. Les enjeux de ce travail sont multiples, tant au niveau méthodologique (comparaison de différents algorithmes de tractographie par exemple) que clinique (étude du lien entre altérations des connexions et pathologie). / In-vivo parcellation of the human cortex into functional brain areas is a major goal to better understand how the brain works and could have a lot of medical applications and give useful information to guide neurosurgery for example. This objective is related to the buildong of the human brain connectome, which is the networks of brain connections.Indeed, it is necessary to define the basic element of this connectome, and for doing this to have a subdivision of the cortex into brain regions. Actually, there is no such gold standard parcellation : there are a lot of techniques and methods to achieve this goal. During this PhD., anatomical connectivité based on diffusion-weighted imaging hase been used to address this problem, with a surfacic approach. In this context, we will present a set of new tools to create, visualize and simulate the human brain connectome for a group of subjects. We will introduce dimension reduction methods to compile the cortical connectivity profiles taking into account the interindividual variability. These methods will be apply to parcellate the cortex, for one subject or for a group of subjects simultaneously.There are many applications of this work, in methodology, to compare tractography algorithms for example or in clinical, to look at the relations between connections damages and pathology.

La stimulation cérébrale profonde (DBS) du gyrus cingulaire subgénual est actuellement en coursd’évaluation comme nouvelle cible thérapeutique chez les patients souffrant de dépression majeure.Afin de caractériser les mécanismes sous-jacents l’action de la DBS, et plus particulièrement, lapossible implication du système glial, les effets de la stimulation du cortex préfrontal infralimbique surplusieurs marqueurs précliniques de la réponse antidépressive ont été évalués chez le rat. Ce travailde thèse, en utilisant des approches électrophysiologiques, immunohistochimiques etcomportementales, montre que la DBS aigue (130 Hz, 150 μA) induit des comportements pseudoantidépresseurs(évalués dans le test de nage forcée) qui sont associés à une augmentation del’activité des neurones 5-HT du raphé dorsal et de la neurogenèse du gyrus denté. De plus, la DBSaigue est capable de renverser les effets du stress sur la métaplasticité synaptique hippocampique.Par ailleurs, la DBS à plus faible intensité (20 μA, 130 Hz) induit des effets pro-cognitifs, i.e. unefacilitation de la plasticité synaptique au sein de l’hippocampe dorsal et une amélioration desperformances mnésiques des rats dans le test de reconnaissance d’objet. De façon importante, ceseffets neurobiologiques sont prévenus par une lésion pharmacologique gliale avec la gliotoxine Lalpha-aminoadipic acid. Ensemble, nos données in vitro et in vivo soulignent pour la première fois lerôle crucial des astrocytes dans les mécanismes d’action de la DBS. Cette étude propose donc quel’intégrité du système glial au niveau le site de stimulation est un pré-requis majeur afin d’optimiserl’efficacité de la DBS / Deep brain stimulation (DBS) of the cingulated gyrus 25 is currently evaluated as a new therapy inpatients with treatment-resistant major depressive disorder. The effects of infralimbic prefrontal cortexDBS on several pre-clinical markers of the antidepressant-like response were assessed in rats toinvestigate the mechanisms underlying DBS action, and particularly, the putative involvement of glialsystem. The present study, using electrophysiological, immunohistochemical and behavioralapproaches, shows that acute DBS (130 Hz, 150 μA) induced an antidepressant-like behavior(evaluated in the forced-swim test) that was associated with an increase of dorsal raphe 5-HTneuronal activity and of dentate gyrus neurogenesis. Moreover, acute DBS was able to reverse theeffects of stress on hippocampal synaptic metaplasticity. Besides, DBS at lower intensity (20 μA, 130Hz) induced pro-cognitive effects, i.e. facilitated the hippocampal synaptic metaplasticity and improvedlearning performance in the novel object recognition task. Importantly, these neurobiological effects ofDBS were prevented by local pharmacological glial lesions with the L-alpha-aminoadipic acid gliotoxin.Taken together, our in and ex vivo findings highlights for the first time the crucial role of glial cells inthe mechanism of action of DBS. The present study, therefore, proposes that an unaltered glial systemwithin stimulation areas may constitute a major prerequisite to optimize DBS efficacy

Le développement du cortex cérébral résulte de processus de prolifération, neurogenèse, migration et différenciation cellulaire qui sont contrôlés génétiquement. Les malformations corticales qui résultent d'anomalies de ces processus sont associées à l'épilepsie et la déficience intellectuelle. Nous avons étudié la souris mutante HeCo (heterotopic cortex), qui présente une hétérotopie sous-cortical bilatérale (neurones présents dans la substance blanche) et nous avons identifié la présence d'une mutation sur le gène Eml1 (Echinoderm Microtubule-associated protein-Like 1). De plus, des mutations du gène EML1 ont été identifiées chez des patients atteints d'une forme sévère et rare d'hétérotopie. Dans le cerveau embryonnaire des souris HeCo, des progéniteurs ont été identifiés en dehors de la zone de prolifération, ce qui représente une nouvelle cause de cette malformation. Nous avons étudié la fonction d'Eml1 dans les progéniteurs de la glie radiaire, qui sont clés au cours de la corticogenèse. Nous avons montré qu'Eml1 se localise dans le fuseau mitotique où elle est susceptible de réguler la dynamique des microtubules. Nos données suggèrent qu'Eml1 peut jouer un rôle dans la régulation de la longueur du fuseau puisque celle-ci est perturbée dans les cellules de la glie radiaire chez la souris HeCo. Ceci pourrait représenter la cause primaire de leur ectopie. Nous avons analysé le nombre et la taille des cellules en métaphase dans la partie apicale de la zone ventriculaire où ont lieu les mitoses. Nous proposons ici de nouveaux mécanismes qui régissent l'organisation des progéniteurs dans la zone ventriculaire au cours du développement cortical normal et pathologique. / The cerebral cortex develops through genetically regulated processes of cellular proliferation, neurogenesis, migration and differentiation. Cortical malformations represent a spectrum of heterogeneous disorders due to abnormalities in these steps, and associated with epilepsy and intellectual disability. We studied the HeCo (heterotopic cortex) mutant mouse, which exhibits bilateral subcortical band heterotopia (SBH), characterized by many aberrantly positioned neurons in the white matter. We found that Eml1 (Echinoderm Microtubule-associated protein-Like 1) is mutated in these mice. Screening of EML1 in heterotopia patients identified mutations giving rise to a severe and rare form of atypical heterotopia. In HeCo embryonic brains, progenitors were identified outside the normal proliferative ventricular zone (VZ), representing a novel cause of this disorder. We studied Eml1 function in radial glial progenitors (RGCs), which are important during corticogenesis generating other subtypes of progenitors and post-mitotic neurons, and serving as guides for migrating neurons. We showed that Eml1 localizes to the mitotic spindle where it might regulate microtubule dynamics. My data suggest a role in the establishment of the steady state metaphase spindle length. Indeed, HeCo RGCs in the VZ showed a perturbed spindle length during corticogenesis, and this may represent one of the primary mechanisms leading to abnormal progenitor behavior. I also analyzed cell number and metaphase cell size at the apical side of the VZ, where mitosis occurs. I thus propose new mechanisms governing normal and pathological VZ progenitor organization and function during cortical development.

J'ai débuté ma recherche par l'étude d'une nouvelle méthode de monitoring auditif per-opératoire par potentiels évoqués auditifs durant la chirurgie des schwannomes vestibulaires avec tentative de préservation de l'audition. L'utilisation de techniques combinées avec enregistrement de potentiels directs de nerf est en cours de développement dans l'espoir d'améliorer les chances de préservation auditive. Les potentiels directs de nerf reposent notamment sur des technologies microélectrodes souples que j'ai testées sur modèle animal. Des enregistrements du cortex auditif obtenus par stimulation acoustique et électrique dans le noyau cochléaire ont démontré la faisabilité de l'enregistrement par microélectrode souple sur support poliimide. J'ai ainsi pu mener en collaboration avec l'Université de Tokyo un programme de recherche sur un nouveau type d'implant du tronc cérébral par électrode de stimulation profonde, qui permet un meilleur accès à la représentation tonotopique du noyau cochléaire. Les réponses électrophysiologiques ont été obtenues par technique de mapping de surfaces corticales avec des microélectrodes souples à haute résolution spatiale (64 sites), développées en collaboration avec le département d'ingénierie de l'Université de Tokyo. Nous avons montré qu'il est possible d'accéder à la tonotopie du noyau cochléaire par stimulation électrique profonde. Des études complémentaires de tolérance et d'efficacité, notamment au cours d'implantation chronique sont cependant indispensables. J'ai également participé à un travail de recherche clinique sur l'audition et le vestibule sur des patients ayant des atrésies aurales. L'étude de ces patients par méthode électrophysiologique (PEA bilatéraux et étude des composants d'interaction binaurale, potentiels évoqués saculo-colliques myogènes), comportementale (étude des facteurs de localisation, en particulier le facteur de compensation temps/intensité) est une approche originale de la plasticité cérébrale existante chez les patients ayant vécus des expériences auditives anormales

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La répercussion d'un trouble visuel sur le traitement de scènes naturelles a été abordée selon trois approches : 1) une approche comportementale dans le but d'étudier la perception visuelle en champ central et en champs latéralisés, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques à la suite d'une lésion occipitale unilatérale ; 2) une approche fonctionnelle à l'aide d'une étude en IRMf afin d'évaluer tout d'abord l'incidence de la demande cognitive sur une tâche visuelle, chez les participants sains et chez les patients hémianopsiques, en champ central, puis d'observer l'impact d'une lésion occipitale droite et gauche sur la réorganisation corticale ; 3) enfin, une approche neuropsychologique dans le but d'étudier l'effet d'un entraînement visuel dans le champ aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités visuelles inconscientes. Nous avons observé un impact différent sur le traitement visuel en champ central selon la latéralisation de la lésion occipitale (droite ou gauche). L'analyse visuelle est plus perturbée à la suite d'une lésion occipitale droite. Les données acquises en IRMf ont permis également de constater une différence des patterns d'activation selon la latéralisation de la lésion occipitale. Enfin, nous avons observé que l'entrainement dans le champ visuel aveugle des patients HLH, en utilisant les capacités de perception implicite : blindsight, permet d'obtenir une amélioration du champ visuel de manière quantifiable.

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Le but de cette thèse était la recherche de biomarqueurs des troubles de l'humeur (dépression unipolaire et troubles bipolaires). Compte tenu de l'étiologie de ces troubles (hypométabolisme du cortex préfrontal dorso-latéral et déficit de la neurotransmission GABA/glutamatergique), nous avons choisi d'étudier deux biomarqueurs : la performance saccadique et l'excitabilité corticale. Nos résultats montrent que les performances saccadiques (antisaccades) permettent (i) de discriminer les patients présentant des troubles de l'humeur de sujets sains, (ii) d'objectiver l'amélioration thymique des patients suite à un traitement, et (iii) d'évaluer l'effet neuromodulateur à court-terme d'une séance de stimulation magnétique transcrânienne répétée. Concernant les mesures d'excitabilité corticale, aucune différence liée à l'amélioration thymique des patients, ni de différences entre patients et contrôles ne ressortent significativement. Nous avons suggéré que le non-contrôle du « State-Dependency » (i.e., de l'« état neurocognitif » des sujets pendant les stimulations) puisse être l'une des causes de l'absence de résultats, et validé cette hypothèse en manipulant les registres cognitifs et émotionnels des sujets.Le second aspect de notre travail de thèse avait trait à l'étude de l'efficacité de la stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) comme alternative thérapeutique non médicamenteuse des troubles de l'humeur. Si la littérature s'accorde sur une efficacité significative mais modérée de la rTMS comme traitement, nos données n'ont pas mis en évidence de supériorité du traitement actif par rapport au traitement placebo dans le cas de la neurostimulation iTBS. Une des raisons de ce manque d'efficacité du traitement actif pourrait être liée à des questions d'ordre méthodologique, comme le choix des paramètres de stimulation. Plus généralement, cette absence de résultats incite à questionner le postulat théorique basant l'étude de la réactivité du CPFDL ou sa neuromodulation sur les propriétés du cortex moteur. Notre expérience, étudiant la réactivité de différentes zones corticales par couplage TMS-EEG, va dans ce sens en montrant que la réactivité du cortex moteur diffère de celle des autres cortex. Le couplage TMS-EEG devrait permettre de mieux comprendre l'impact de la neuromodulation rTMS sur la cible corticale visée, et donc d'adapter les paramètres de stimulations aux aires cérébrales stimulées, permettant à terme de traiter plus efficacement les troubles de l'humeur. / The aim of this doctoral thesis was to develop biomarkers for mood disorders (unipolar major depression and bipolar disorders). Considering mood disorders' etiology (Dorso lateral prefrontal cortex hypometabolism and GABA/glutamate neurotransmission deficits), we decided to study two biomarkers: saccadic performance and cortical excitability. Our results showed that saccadic performance (notably Antisaccades) allows (i) discriminating bipolar patients from healthy subjects, (ii) ascertaining patients' mood improvement, and (iii) evaluating the short-term neuromodulation induced by repetitive transcranial magnetic stimulation.Regarding cortical excitability measurements, our results did not reveal any differences neither between patients and healthy subjects, nor between Responders and non Responders to a treatment (Ketamine injection or rTMS). We suggested that the null results could be explained by the lack of control of State-Dependency. This assumption was tested and validated through the manipulation of the subjects' cognitive and emotional states.A second aim of this doctoral thesis was to study the efficacy of rTMS, a non pharmacological therapeutic alternative, as a treatment for mood disorders. Meta-analyses showed that anti depressant effect of rTMS seems to be significant but still moderate. In our experiment, mood improvement did not differ between active and sham rTMS. Basic methodological reasons such as stimulation parameters could explain this lack of efficacy. Overall, one could wonder about the validity of the theoretical postulate of rTMS, drawn upon motor cortex reactivity. This postulate inferred that both cortical reactivity of motor cortex and DLPFC are similar. Using TMS-EEG coupling, we studied the reactivity of these cortices, to TMS pulses, which revealed that motor cortex and DLPFC reactivities should not be assimilated. This result calls into question the relevance of the rTMS theoretical postulate. Coupling TMS and EEG should allow a better understanding of the impact of rTMS neuromodulatory effect over the targeted area, and thus to a better adaption of the stimulation parameters, which could lead to an improvement of rTMS efficacy as a treatment for mood disorders.