Blast-induced traumatic brain injury (bTBI) remains a significant problem among military populations. When an explosion occurs, a high magnitude positive pressure rapidly propagates away from the detonation source. Upon contact, biological tissues throughout the body undergo deformation at high strain rates and then return to equilibrium following a brief negative pressure phase. This mechanical disruption of the tissue is known to cause oxidative stress and neuroinflammation in the brain, which can lead to neurodegeneration and consequently poor cognitive and behavioral outcomes. Further, these clinical outcomes, which can include chronic headaches, problems with balance, light and noise sensitivity, anxiety, and depression, may be sustained years following blast exposure and there are currently no effective treatments. Thus, there is a need to investigate the acute molecular responses following bTBI in order to motivate the development of effective therapeutic strategies and ultimately improve or prevent long-term patient outcomes. It is important to not only understand the acute molecular response, but how the brain tissue mechanics drive these metabolic changes. The objective of this work was to identify the interplay between the tissue-level biomechanics and the acute bTBI pathophysiology. In a rodent bTBI model, using adult rats, intracranial pressure was mapped throughout the brain during blast exposure where frequency contributions from skull flexure and wave dynamics were significantly altered between brain regions and were largely dependent on blast magnitude. These findings informed the subsequent spatial and temporal changes in neurometabolism. Amino acid molecular precursor concentrations decreased at four hours post-blast in the cortex and hippocampus regions. This motivates further investigation of amino acids as therapeutic targets aimed to reduce oxidative stress and prevent prolonged injury cascades. However, neurochemical changes were not consistent across blast magnitudes, which may be explained by the disparities in biomechanics at lower blast pressures. Lastly, we investigated the acute changes in metabolic regulators influencing excitotoxicity where it was found that astrocytes maintained normal clearance of excitatory and inhibitory neurotransmitters prior to astrocyte reactivity. Outcomes of this work provide improved understanding of blast mechanics and associated acute pathophysiology and inform future therapeutic and diagnostic approaches following bTBI. / Doctor of Philosophy / Blast-induced traumatic brain injury (bTBI) remains a significant problem among military populations. When an explosion occurs, a high magnitude positive pressure wave rapidly propagates away from the detonation source. Upon contact, biological tissues throughout the body undergo deformation that can cause injury. This mechanical disruption of the tissue is known to trigger negative biological processes that lead to persistent cognitive and behavioral deficits. Further, these clinical outcomes, which can include chronic headaches, problems with balance, light and noise sensitivity, anxiety, and depression, may be sustained years following blast exposure. There are currently no effective treatments that can help those afflicted, and biomarkers for injury diagnostics are limited. Thus, there is a great need to investigate the early biological responses following bTBI in order to motivate the development of effective therapeutic strategies and ultimately improve or prevent long-term patient outcomes. It is important to not only understand the immediate responses, but also how the brain tissue mechanics drive these metabolic changes. The objective of this work was to identify the interplay between the brain biomechanics and the acute bTBI pathophysiology. Using a translational animal model, pressure inside the brain was measured with pressure sensors during blast exposure. Subsequent spatial and temporal changes in neurochemical concentrations were quantified. The results showed (1) significant disparities in the pressure dynamics inside the brain and it varied across brain regions, (2) neurochemical precursors may have therapeutic potential post-injury, and (3) biomechanical and neurochemical responses were dependent on blast severity. Outcomes of this work provide improved understanding of blast mechanics and associated pathophysiology and inform future therapeutic and diagnostic approaches to prevent prolonged injury cascades.

L’hypertension est probablement le plus important problème de santé dont souffrent les Canadiens (Statistiques Canada, 2010). Modifier l’alimentation est une façon de contrôler l’hypertension (OMS, 2013) (Statistiques Canada, 2010). Une autre possibilité serait la consommation d’acide gamma-aminobutyrique. L’acide gamma-aminobutyrique (GABA) est un composé hypotenseur présent dans certains aliments fermentés suite à sa production par certains microorganismes en condition de stress acide. La consommation quotidienne de 50 g de fromage de type Cheddar contenant 0,32 mg de GABA/g de fromage a entrainé une baisse de pression artérielle significative chez des hommes sujets à la préhypertension (Pouliot-Mathieu et al., 2013), mais non-significative par rapport au groupe témoin. Le Chester est un fromage à pâte semi-ferme, dont l’affinage dure plusieurs mois et dont le pH de 4,8 est obtenu naturellement, conditions qui favorisent la production de GABA. Le but de ce projet était de produire un fromage de type Chester en employant un ferment producteur de GABA qui permettrait l’obtention d’une concentration en GABA supérieure à 0,32 mg de GABA/g. La consommation de 50 g quotidienne de ce fromage pourrait alors entrainer une baisse de pression artérielle significative comparativement à un témoin sans GABA. La production de GABA a été confirmée chez les souches productrices Lc. lactis A23 et H13 et infirmée chez les souches de Lb. casei et Lb. paracasei testées. L’ajout du cofacteur de la réaction, le pyridoxal-5’-phosphate (PLP) a été évalué sur des caillés modèles, en plus de l’effet d’une combinaison des souches productrices de GABA, soit 50 % Lc. lactis H13/50% Lc. lactis A23. Le PLP n’a pas été ajouté lors de la fabrication des fromages de type Chester. Quatre ferments ont été employés et les fromages ont été affinés à 4°C, 8°C ou 12°C. À l’exception d’une humidité plus faible, la composition des fromages produits était semblable à celle d’un Chester traditionnel mais leur texture n’était pas aussi friable. La concentration maximale de GABA produite après 90 jours d’affinage à 12°C a été de 58mg/100g de fromage en utilisant un ferment composé de 25 % Lc. lactis H13 et de 75 % Lc. lactis A23.

L'hypertension est l'un des facteurs de risque les plus importants des maladies cardiovasculaires. Il a été démontré que l'acide gamma-aminobutyrique (GABA) peut diminuer la pression artérielle de personnes hypertendues lorsqu'il est consommé par le biais d'une matrice alimentaire. Certains fromages peuvent contenir naturellement du GABA, mais jusqu'à présent, aucune recherche n'avait étudié leur capacité à diminuer la pression artérielle. Les travaux présentés dans ce mémoire avaient pour but de déterminer les effets antihypertensifs d'un fromage enrichi en GABA sur des sujets humains. Vingt-trois hommes âgés de 23 à 63 ans ont ingéré quotidiennement 50 g de fromage avec ou sans GABA pendant 12 semaines. La pression artérielle, le rythme cardiaque, le poids corporel et le tour de taille ont été mesurés aux semaines 0, 2, 4, 6, 8, 10 et 12. Également, la concentration en GABA dans les fromages expérimentaux et témoins, congelés ou affinés à 4 °C, a été évaluée tous les mois durant la durée de l'étude. Les résultats ont démontré que la pression artérielle systolique et la pression artérielle moyenne ont diminué de façon significative suite à la consommation de fromage avec ou sans GABA. Aucun changement significatif n'a été observé pour la pression artérielle diastolique. En conclusion, nos résultats suggèrent que la consommation quotidienne durant 12 semaines de fromage cheddar contenant ou non du GABA entraîne une réduction similaire de la pression artérielle.

Le globus pallidus (GP) des primates reçoit une innervation massive des neurones GABAergiques du striatum qui co-libèrent la substance P (SP). Afin d'approfondir notre connaissance de l'interaction de la SP au niveau pallidal, nous avons étudié la localisation cellulaire et subcellulaire de ce peptide et de ses récepteurs à hautes affinités neurokinine-1 (NK-lR) et neurokinine-3 (NK-3R) dans le GP de singes écureuils. Un grand nombre de neurones et de fibres dans le segment externe (GPe) et interne (GPi) du GP exprimaient de l'immunoréactivité pour NK-lR ou NK-3R en position pré- et postsynaptique. Les NK-lR et NK-3R étaient principalement localisés dans le cytoplasme ou sur la membrane plasmique, mais en dehors des jonctions synaptiques. Certaines terminaisons axonaies immunoréactives pour la SP exprimaient préférentiellement NK-3R. Ces données suggèrent que la SP peut influencer de manière significative le traitement de l'information neuronale voyageant à travers les ganglions de la base. / The primate globus pallidus (GP) receives a massive innervation from GABAergic striatal neurons that co-release substance P (SP). We used single and double antigen staining retrieval methods to study cellular and subcellular localization of SP and its high affinity receptors NK-IR and NK-3R in GP of squirrel monkeys. A large number of neurons and fibers in GPe and GPi expressed NK-IR or NK-3R. NK-IR and NK-3R were mainly associated with intracellular sites or located at extrasynaptic positions on the plasma membrane. SP+ axon terminals preferentially expressed NK-3R. Distribution of NK-IR and NK-3R indicates that SP effects at pallidal level are mediated through postsynaptic receptor as well as presynaptic autoreceptors and heteroreceptors. These data suggest that SP may influence in a significant manner the treatment of neural information that flows through the basal ganglia.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La séparation maternelle néonatale (SMN) est une forme de stress qui perturbe le développement de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HHS) et induit des conséquences à long terme sur l'activité de ce dernier. L'activation de l'axe HHS est contrôlée par le noyau paraventriculaire de l'hypothalamus (PVH) qui est toniquement inhibé au repos. De plus, le PVH est un important modulateur de l'activité respiratoire. Ainsi, cette thèse avait pour objectif de déterminer si la séparation maternelle néonatale avait des effets persistants sur le système de contrôle respiratoire. Premièrement, des rats mâles et femelles SMN ont été exposés à l'hypoxie à l'âge adulte. La SMN a amplifié la réponse ventilatoire à l'hypoxie chez les mâles alors qu'elle a atténué la réponse chez les femelles, suggérant que la sensibilité aux variations d'02 est augmentée chez les mâles. De surcroît, la SMN a rendu les rats mâles hypertendus. Lors de l'étude du chémoréflexe à l'hypercapnie, les effets de la SMN se sont avérés une fois de plus spécifiques au sexe. La SMN a induit une atténuation de la réponse ventilatoire à l'hypercapnie chez les rats mâles alors que chez les femelles, la réponse a été augmentée, suggérant une sensibilité au CO2 accrue chez celles-ci. De plus, le marquage de PARNm de c-fos a révélé une activation des raphés magnus et pallidus, du groupe parapyramidal et du locus coeruleus chez les mâles SMN seulement. La SMN semble donc agir par des mécanismes différents du chémoréflexe à l'hypoxie bien que ses effets soient toujours spécifiques au sexe. La dernière étude a démontré que l'inhibition entourant le PVH était augmentée chez les rats mâles SMN. Les microinjections de GABA, muscimol et bicuculline avaient des effets plus importants sur la réponse ventilatoire à l'hypoxie des rats SMN. De plus, la SMN a augmenté le nombre de récepteurs GABAA au niveau du PVH. Bien que l'inhibition du PVH soit amplifiée chez les rats SMN, elle n'est pas suffisante pour maintenir une réponse ventilatoire à l'hypoxie normale, suggérant une augmentation des afférences excitatrices directes au PVH. Ces résultats indiquent qu'un stress non respiratoire en période néonatale perturbe de façon persistente une fonction aussi importante que la régulation de la respiration.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour but d'étudier la modulation de la transmission synaptique inhibitrice au niveau des réseaux moteurs spinaux, à la fois au cours du développement et après lésion de la moelle épinière. Le nouveau-né présente des activités motrices spontanées qui jouent un rôle important dans la maturation des muscles et des réseaux de neurones de la moelle épinière. Dans une première étude, nous avons identifié l'un des mécanismes impliqués dans la genèse de ces activités chez le rat nouveau-né in vitro. Nous avons démontré que l'activation des récepteurs GABAᴀ au niveau des terminales d'afférences primaires joue un rôle majeur dans le déclenchement et la propagation de ces activités spontanées. Dans une deuxième étude, nous avons testé la robustesse des dépolarisations de nature GABAergique enregistrées in vitro, c'est-à-dire leur dépendance vis-à-vis des paramètres du milieu de perfusion. Nous avons démontré que l'action dépolarisante des neurotransmetteurs GABA/glycine au niveau des motoneurones et celle du GABA au niveau des terminales d'afférences primaires ne sont pas dues à une fourniture énergétique insuffisante. La dernière étude a été consacrée à la modulation de la transmission synaptique inhibitrice après lésion de la moelle épinière. Nous avons montré que l'activation des récepteurs 5-HT2 (R5-HT2), particulièrement celle de l'isoforme 5-HT2ᴀ, renforce le poids synaptique inhibiteur via une hyperpolarisation du potentiel d'équilibre des ions chlorure (ECl) et une augmentation d'expression de KCC2 au niveau de la membrane des motoneurones. / The aim of this thesis was to explore the modulation of the inhibitory synaptic transmission within the spinal motor networks, both during development and after SCI. Spontaneous movements are an ubiquitous feature of fetal and infant behavior. They provide signals that are important for the development of muscles and the assembly of neuronal networks in the spinal cord. In a first study, we characterized one of the mechanisms underlying spontaneous motor behaviors in the in vitro spinal cord preparation isolated from neonatal rats. We demonstrated that the GABA is playing a key role in promoting spontaneous activity through primary afferent depolarizations which reach firing threshold. In the second part of my thesis, we tested the robustness of the in vitro GABAergic depolarizations and their dependence on the aCSF parameters. We demonstrated that during development the depolarizing actions of GABA/glycine on motoneurons and GABA on primary afferent terminals are not due to inadequate energy supply. In the last part of my thesis, we focused on the modulation of the inhibitory synaptic transmission following SCI. We demonstrated that activation of the 5-HT2 receptors, particularly the 5-HT2ᴀ subtype, strengthens inhibitory synaptic transmission to spinal motoneurons by hyperpolarizing the reversal potential of Cl- ions (ECl) and by increasing the cell-membrane expression of KCC2. This phenomenon reduces spasticity after SCI in rats. Upregulation of KCC2 function by targeting 5-HT2ᴀ receptors therefore opens new therapeutic strategies for the treatment of spasticity following SCI.

Les dysplasies corticales (FCD) sont une cause fréquente d’épilepsie lésionnelle requérant un traitement chirurgical, caractérisées par l’association de troubles de l’architecture corticale et la présence de cellules neuronales et/ou gliales anormales Les FCD restent parfois difficiles à identifier / localiser et la physiopathologie des activités épileptiques qu’elles produisent reste mal connue. L’objectif de ce travail est d’optimiser la localisation anatomique et fonctionnelle des FCD chez l’enfant et d’étudier leur épileptogénicité par une double approche, in vivo en imagerie de perfusion IRM-ASL (Arterial Spin Labeling), et in vitro par enregistrements de tissus humains post-opératoires sur matrice de micro électrodes. L’intérêt de l’étude de ces dysplasies chez l’enfant est majeure à un âge où la récurrence des crises n’a pas encore modifié le réseau … Tout d’abord, nous avons montré une hypoperfusion focale des dysplasies corticales focales de type II colocalisée à l’hypo métabolisme en 18FDG-PET scan et au défect histologique. Nous avons développé une méthode d’analyse statistique du signal ASL permettant l’intégration des données objectives de l’imagerie dans une approche multimodale des anomalies interictales associant ASL et IRM fonctionnelle-EEG. Ensuite, nous avons exploré in vitro des tranches de cortex humain dysplasique post-opératoire. La présence d’activités épileptiques interictales spontanées témoignait de la persistance des caractéristiques épileptogéniques des FCD, variables selon les sous types histologiques. L’étude de la signalisation GABAergique et de la régulation du chlore a montré que le co transporteur du chlore NKCC1 chargeait excessivement les neurones en chlore alors que son concurrent KCC2, extrudant normalement ces anions, était down-régulé. La dérégulation neuronale du chlore qui en résulte est à l’origine d’effets paradoxalement dépolarisants du GABA, rendant compte non pas d’une perte d’inhibition GABAergique mais de son implication active dans les processus épileptiques. Enfin, nous avons contribué à mettre en évidence le rôle des hémicanaux Pannexines1, et de la transmission purinergique dans l’initiation et la maintenance des activités ictales, ouvrant une nouvelle piste thérapeutique chez les patients présentant ces épilepsies pharmaco résistantes. / Focal cortical Dysplasias (FCD) are a frequent etiology of lesional epilepsy, requiring surgical treatment. They are defined by abnormalities of cortical architecture intermixed with the presence of abnormal neuronal or glial cells. Imaging FCD remains challenging, both to detect and map the lesion, and the pathophysiology of the epileptic discharges they produce is incompletely understood. The aim of this PhD is to improve in vivo FCD mapping in children with perfusion MRI, and to study in vitro their epileptogenicity with human postoperative cortical slices electrophysiological recordings on micro electrode arrays. First, we showed with ASL MRI (Arterial Spin Labeling) a focal hypoperfusion in type II FCD, colocalized with 18FDG-PET hypo metabolism and histological defects. We developed a statistical analysis of ASL under SPM integrated in a multimodal approach of FCD with EEG-fMRI and ASL-MRI. Second, we studied in vitro slices of human postoperative dysplastic cortex. We could record reliable spontaneous inter ictal discharges, specific of the histological subtype, showing that tissues retain epileptogenic features. We focused our study on GABAergic signaling and neuronal chloride regulation. We have identified an excessive chloride load in neurons by the co transporter NKCC1 whereas chloride extrusion was deficient because of KCC2 down regulation. The consequent chloride dysregulation resulted in paradoxical GABAergic depolarization, responsible for a loss of inhibitory processes but also a shift to excitatory effects of GABAergic signals. Third, we also contributed to a study on Pannexin hemichannels, revealing that Pannexin1 channels sustain initiation and maintenance of ictal activity though purinergic neurotransmission in human cortical slices, supporting new anti epileptic targets in human pharmaco resistant epilepsies.

Wir haben im Hippocampus von transgenen Mäusen, die grün fluoreszierendes Protein (GFP) unter der Kontrolle eines Promotors für Nestin exprimieren, mutmaßliche Neuronale Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass Nestin-GFP exprimierende Vorläuferzellen in der subgranularen Zone des adulten Gyrus Dentatus sich in zwei Subpopulationen entsprechend ihrer morphologischen Eigenschaften einteilen lassen. Eine kleine, morphologisch unterscheidbare Population von Vorläuferzellen mit neuronalen Eigenschaften erhielt GABAergen, aber keinen glutamatergen Input, dies widerspiegelt die Situation während der Entwicklung des Gehirns. Außerdem haben wir ecto-nucleotidase NTPDase2 und functionelle P2X Rezeptoren in hippocampalen Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben auch das Verhalten Nestin exprimierender Zellen bis zu 8 Wochen nach 30 minütiger Occlusion der mittleren cerebralen Arterie (MCAo)/reperfusion und im murinen experimentellen Glioblastom Modell untersucht. Neben den bereits publizierten Ergebnissen, die ich auch in meiner Doktorarbeit vorgestellt habe, habe ich die elektrophysiologischen Eigenschaften der Nestin-GFP-exprimierenden Zellen in der Amygdala und im CA 1 des Hippocampus untersucht. / Using transgenic mice that express green fluorescent protein (GFP) under control of the nestin promoter, the putative precursor cells were identified. We have previously shown that nestin-GFP expressing precursor cells in the adult subgranular zone of hippocampal dentate gyrus could be divided into two distinct subpopulations based on morphological criteria. A small, morphological distinct population of precursor cells with neuronal properties received GABAergic, but not glutamatergic input similar as in brain development. We identified ecto-nucleotidase NTPDase2 and functional P2X receptors at hippocampal progenitor cells. We also studied the fate of nestin-GFP-expressing cells up to 8 weeks after 30 mins occlusion of the middle cerebral artery (MCAo)/reperfusion and in murine experimental glioblastoma model. Except for the published results which was included in this PhD dissertation, I also studied the electrophysiology properties of nestin-GFP-expression cells in amygdala and in Ca1 of hippocampus.

Les ganglions de la base (GB) sont un ensemble de noyaux sous-corticaux impliqués dans les fonctions motrices, mnésiques et cognitives. Le globus pallidus externe (GPe) est un noyau GABAergique, qui tient la place de structure relais entre le striatum et le noyau sous-thalamique au sein du réseau des GB. Les changements de mode et de fréquence de décharge des neurones du GPe sont connus pour être les signatures électro-physiologiques des maladies de Parkinson (MP) et de Huntington (MH). Dans la MP, où les concentrations de GABA extracellulaires sont anormalement élevées dans le GPe, il est admis que la voie striato-pallidale (STR-GPe) est hyperactive, ce qui contribue à l’hypoactivité des neurones pallidaux. A l’inverse dans la MH, il est admis que l’hyperactivité des neurones du GPe est due à la dégénérescence de la voie STR-GPe levant la principale influence inhibitrice du GPe. Cependant, les mécanismes moléculaires impliqués dans ces changements d’activité pallidale sont encore peu connus. Nous avons donc entrepris des expériences de biologie moléculaire, d’immunohistochimie et d’électrophysiologie sur tranches, afin de mieux caractériser l’origine des modifications de transmission GABAergique conduisant aux changements d’activité électro-physiologique des neurones du GPe dans ces deux pathologies à l’aide de modèles animaux. Mes principaux résultats montrent l’apparition d’une inhibition tonique dans les neurones du GPe due à un déficit de recapture du GABA dans la MP et une réduction précoce de la transmission synaptique GABAergique dans la MH. Ces résultats suggèrent que les altérations de la transmission GABAergique contribuent à la physiopathologie de la MP et la MH. / The basal ganglia (BG) are a group of sub-cortical nuclei involved in motor, memory and cognitive functions. In the BG, the GABAergic external globus pallidus (GPe) holds a position of relay nucleus between the striatum (STR) and the sub thalamic nucleus within the indirect pathway of the BG. Modifications of rate and pattern of activity of this nucleus are known to be the electrophysiological signatures of Parkinson’s (PD) and Huntington’s diseases (HD). In PD, hyperactivity of the striato-pallidal (STR-GPe) pathway is thought to be responsible for the increase of the extracellular GABAergic concentrations in the GPe and participate to the hypoactivity of pallidal neurons observed in experimental Parkinsonism. In contrast, during HD, it is recognized that the hyperactivity of GPe neurons is due to the degeneration of striato-pallidal neurons and thus to the reduction of the main source of pallidal GABAergic inhibition. However, the molecular mechanisms involved in these modifications of pallidal activity are not well characterized. Therefore, using PD and HD animal models, the 6-OHDA rodents and the R6-1 transgenic mice respectively, we have performed molecular biology, immunohistochemistry and electrophysiological in vitro experiments in order to better understand the origin of GABAergic transmission alterations leading to changes in electrophysiological activity of GPe neurons into these two pathologies. My main results show the apparition of a tonic GABAergic inhibition due to a deficit of GABA uptake in PD and a early stage reduction of GABAergic synaptic transmission in HD. Altogether, these results suggest that alterations of GABAergic transmission contribute to the pathophysiology of PD and HD.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 2009. / Härtill 5 uppsatser. Även tryckt utgåva.