Le stress joue un rôle important dans le maintien de la qualité de vie quotidienne. Une exposition à une situation stressante peut causer divers désordres neuropsychiatriques du cerveau qui sont associés avec des problèmes liés au sommeil, à la dépression, à des problèmes digestifs et à des troubles de l'alimentation. Les traitements de ces troubles liés au stress sont très coûteux à travers le monde. De nos jours, des considérations importantes ont été soulevées afin de trouver des moyens appropriés pour la prévention plutôt que de dépenser ultérieurement plus de budget sur les traitements. De cette façon, l'étude et l'expérimentation sur les animaux des troubles liés au stress sont l'un des moyens les plus fiables pour atteindre une compréhension plus profonde des problèmes liés au stress. Ce projet visait à révéler la modulation des potentiels de champ locaux (LFP) lors de la consommation de sucrose dans deux conditions englobant la condition de contrôle non-stressante et celle stressante d'un choc électrique aiguë à la patte dans le cortex préfrontal médian (CPFm) du cerveau de rat. Le CPFm est une structure importante dans la réponse au stress et à l'anxiété par l'interaction avec l'axe hypothalamique-pituitaire surrénale (HPA). Les résultats de ce projet ont révélé que la plupart des coups de langue se sont produits dans les 15 premières minutes de l'accès à une solution de sucrose autant pour la condition contrôle non-stressante que pour la condition stressante. En outre, le stress aigu d'un choc à la patte affecte de manière significative la consommation horaire de sucrose en diminuant le volume de la consommation. Les résultats ont également révélé une présence importante du rythme thêta dans le CPFm pendant la condition de base et pendant l'ingestion de sucrose dans les deux conditions. De plus, les résultats ont montré une diminution de puissance des bandes delta et thêta lors des initiations de léchage du sucrose. Ce projet conduit à des informations détaillées sur les propriétés électrophysiologiques du cortex infra-limbique (IL) du CPFm en réponse à l'exposition à des conditions de stress et de l'apport d'une solution de sucrose. Ce projet permet également de mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques des neurones du CPFm en réponse à l'exposition à une condition stressante suivie d'apport de sucrose. Ce projet a également permis de confirmer les effets anorexigènes du stress et suggèrent également que la synchronisation neuronale dans le cortex IL peut jouer un rôle dans le comportement de léchage et sa désynchronisation pendant le léchage après une exposition à des conditions stressantes. / Stress has been playing important role in maintaining daily life quality. Exposure to stressful situation may cause vast varieties of neuropsychiatric brain disorders associated with sleep related problems, depression, digestive problems and eating disorders. Treatments of such stress-related disorders are costly all across the world. Nowadays, significant consideration has been raised in order to find the appropriate ways for prevention rather than later spending more budgets on treatments. In this way, animals’ modeling and studying the stress-related disorders is one of the most reliable ways for deeper understanding the stress-related problems. This project aimed to reveal the modulation of local field potentials (LFPs) that carries important information about neuronal activities within very specific domains during sucrose consumption in two conditions encompassing non-stressful control condition and acutely foot shock stressed condition in the medial prefrontal cortex (mPFC) of the rat’s brain. The mPFC plays an important role in stress response and anxiety via its interaction with hypothalamic-pituitary adrenal (HPA) axis. The results of this project revealed that licks mostly occurred in the first 15-min of access to palatable sucrose solution in either non-stressful control or stressful conditions. Also, acute foot shock stress significantly affects the 1-h intake of sucrose by decreasing the volume of intake. It also revealed the mPFC prominent theta band oscillation during both baseline and sucrose ingestion in non-stressful and stressful conditions. Moreover, the results showed an increase in power of delta and theta oscillation bands on the licking initiation onsets. This project reveals detailed information on the electrophysiological properties of IL cortex of mPFC in response to exposure to stressful condition and intake of palatable sucrose solution. This project also helps to better understand the neurophysiological mechanisms of mPFC neurons in response to the exposure to stressful condition following by sucrose intake. This project also helped to confirm the anorectic effects of stress and also suggested that the neuronal synchronization in the IL cortex may play a role in licking behavior and showed desynchronization in the IL during licking after exposure to stressful conditions.

Des effets bénéfiques des estrogènes sont rapportés dans diverses maladies mentales et neurodégénératives. Pour comprendre les mécanismes d'action des estrogènes au cerveau, nous avons étudié la modulation du 17β-estradiol au cerveau de singes ovariectomisés sur les systèmes dopaminergiques, sérotoninergiques et les voies de signalisation Akt/GSK3. Dans l'étude de la modulation des récepteurs sérotoninergiques 5-HT₁A et 5-HT₂A par le 17β-estradiol chez le singes MPTP ovariectomisés à long-terme, les résultats indiquent que le 17B-estradiol diminue la densité des autorecepteurs 5-HT₁A et augmente la densité des récepteurs 5-HT₂A, cette augmentation des récepteurs sérotoninergiques par le 17β-estradiol suggère l'utilisation de cette hormone pour augmenter l'activité sérotoninergique en complément à un traitement antidépresseur chez les femmes ménopausées avec des troubles de l'humeur. Dans le l'étude sur la modulation de 17B-estradiol du transporteur de la sérotonine SERT, nos résultats indiquent que la densité du SERT est réduite chez les singes MPTP ovariectomisés à long-terme modelant la maladie de Parkinson et qu'une traitement chronique avec le 17β-estradiol augmente la liaison spécifique du SERT plus chez les singes ovariectomisés à court-terme qu'à long-terme. Et finalement dans l'étude de la modulation par le 17β-estradiol des voies de signalisation Akt/GSK3, les résultats montrent qu'un traitement chronique avec le 17β-estradiol augmente le transporteur DAT et active la voie de signalisation Akt/GSK3 chez les singes ovariectomisés à court-terme. Ces résultats pourraient êtres considérés pour élaborer de nouvelles approches thérapeutiques ou des combinaisons de médicaments pour les maladies du cerveau.

Les microglies sont les cellules immunitaires résidentes du cerveau. Les microglies sont principalement connues pour leur capacité à éliminer des débris toxiques, des cellules dysfonctionnelles ou dégénérées, ainsi que des pathogènes, et à médier des évènements inflammatoires. Cependant, les fonctions des microglies sont plus diverses que considérées auparavant. Les microglies participent à la modulation neuronale et synaptique, l'organisation vasculaire et la modulation des autres cellules gliales comme les astrocytes et les oligodendrocytes. Les fonctions microgliales sont nécessaires pour un fonctionnement sain du cerveau, le comportement et les fonctions cognitives tout au long de la vie. Les microglies sont sensibles aux changements dans leur environnement et présentent une vaste gamme de réponses aux changements environnementaux. L'exposition au stress psychologique chronique affecte la structure et la fonction du cerveau et mène à des conséquences sur le comportement et la cognition. Les microglies répondent au stress chronique et leurs réponses peuvent devenir dysfonctionnelles. Les facteurs environnementaux peuvent également avoir des effets synergiques avec le stress chronique. L'apport nutritionnel est un facteur de vie modifiable important pour le fonctionnement du cerveau. Certaines diètes sont des facteurs de risque pour développer certaines maladies, mais elles peuvent aussi protéger contre divers risques ainsi que permettre d'acquérir une résilience aux facteurs de risque. La diète cétogène est utilisée comme un régime qui offre des améliorations notamment pour les troubles d'humeur et possède des effets anti-inflammatoires. Cependant, les effets de cette diète et le stress sur le cerveau et les microglies restent peu étudiés. Néanmoins, il est essentiel d'étudier les effets de la diète cétogène sur la résilience au stress et les microglies. Les microglies sont situées dans le parenchyme cérébral et leurs caractéristiques dépendent de leur position dans le cerveau. Ces variations sont accentuées par leur réponse aux facteurs environnementaux ou par des changements dans leur contexte immédiat. La visualisation de la microglie permet leur identification et l'analyse de leur densité, distribution et morphologie. Cette approche a une grande utilité pour étudier les microglies dans des contextes de santé et de pathologie. Les microglies sont des macrophages spécialisés dérivés du sac vitellin qui migrent jusqu'au cerveau dans les premiers jours de gestation où elles restent isolées et deviennent une population autorenouvelable. Les macrophages périphériques proviennent de la moelle osseuse. Dans des contextes spécifiques, les macrophages périphériques peuvent infiltrer le cerveau et co-exister avec la microglie. Le développement de techniques qui permettent de différentier entre la microglie et les macrophages périphériques infiltrant est nécessaire. J'ai développé un protocole pour distinguer entre les microglies et les macrophages infiltrants en fonction de leur expression du marqueur de microglie et macrophages IBA1 et du marqueur de microglies TMEM119. Ce protocole comprend des outils d'analyses pour étudier la densité, la distribution et la morphologie des microglies en utilisant des logiciels d'utilisation libre. Mon protocole inclut également des outils pour interpréter les résultats des analyses présentées et des solutions aux problèmes plus communs. Ce protocole permet d'étudier les contributions de ces deux types cellulaires dans différents contextes sains et pathologiques. L'exposition au stress psychologique augmente le risque d'incidence de plusieurs maladies, incluant les maladies psychiatriques. La résilience et susceptibilité au stress chronique peuvent être modulées par plusieurs facteurs environnementaux, dont des habitudes de vie considérées modifiables. La microglie répond au stress chronique et aux changements de diète. Ainsi, pour la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié les effets de la diète cétogène (KD) et de la résilience au stress chronique sur la microglie. En collaboration avec mes collègues, je présente de nouvelles découvertes sur la biologie du stress, la diète cétogène et ses effets sur la microglie. J'ai examiné des souris mâles adultes supplémentées avec soit une diète contrôle (CD) ou une KD qui ont également été sujettes soit à un protocole de stress psychologique, un protocole de défaite sociale répétitif (RSD), ou demeurées non exposées au stress (contrôles; CTRL). Lors d'un test d'interaction sociale, les souris stressées ont été classifiées comme étant susceptibles (SUS) ou résistantes (RES) au stress psychologique. Ce protocole permet d'étudier les changements spécifiques des souris résistantes ou susceptibles au stress et permet la comparaison avec les souris contrôles. Parmi les souris supplémentées avec une KD, nous avons détecté une tendance plus élevée à être classifiées comme étant des souris RES après le RSD. J'ai analysé la morphologie et l'ultrastructure des microglies dans l'hippocampe ventral, particulièrement le CA1, une région du cerveau connue pour montrer des altérations structurelles suivant la réponse au stress psychologique. Mon étude a identifié de nombreux changements microgliaux liés à la KD et aux phénotypes comportementaux SUS et RES. L'analyse ultrastructurelle en microscopie électronique a montré une réduction des marqueurs de stress cellulaires chez les microglies des souris sur une KD. De plus, mon analyse de microscopie électronique a montré une réduction des contacts entre les microglies et les éléments synaptiques dans les souris SUS en comparaison des souris RES et CTRLs. Finalement, mon analyse de lipidomique dans l'hippocampe a identifié un profil lipidique distinct chez les souris SUS en comparaison des souris CTRLs. Ces différences, combinées avec les réponses microgliales envers la diète et le stress, suggèrent que des changements métaboliques peuvent mener à des phénotypes associés à la susceptibilité au stress. Nos résultats révèlent de nouveaux mécanismes par lesquels la KD pourrait améliorer la résistance au stress psychologique. Somme toute, mon travail comprend le développement de protocoles pour étudier la microglie en utilisant des techniques de microscopie avancées et une caractérisation détaillée de la morphologie et de l'ultrastructure microgliales. Ces méthodes ont été utilisées dans un projet qui étudie les effets synergiques de la diète et du stress sur le comportement et la microglie. Mes résultats suggèrent que la diète cétogène améliore la résistance au stress psychologique. Mes résultats offrent l'opportunité pour des études de suivi dans plusieurs domaines de recherche comme la psychiatrie, la nutrition et la neuroimmunologie. / Microglia are the resident immune cells of the brain. Microglia are mainly known for their roles in clearing toxic debris, removing dysfunctional or degenerating cells and pathogens and for mediating inflammation. However, microglia have other functions including modulating other glial cells (oligodendrocytes, astrocytes), neuronal and synaptic dynamics as well as vascular remodeling. Microglial functions are important for proper brain function, behavior and cognition across the lifespan. Microglia are sensitive to changes in their local environment and present a vast array of responses to an equally diverse set of environmental factors. Chronic psychological stress exposure is an environmental factor known to affect brain structure and function, which results in effects on behavior and cognition. Microglia are able to respond to chronic stress, and their adaptive response to chronic stress can sometimes become maladaptive. Environmental factors interact with each other and alter the physiological response of the brain to them. Diet, a modifiable environmental factor, is also relevant for brain function. Some diets have been known to increase the risk of disease but also confer protection and increase resilience to certain risk factors. The ketogenic diet has been used as a clinical dietary intervention with positive effects on mood improvement and anti-inflammatory properties. Nevertheless, the interactions of stress and diet in the brain, including effects on microglia, remain understudied. Therefore, it is important to study the outcomes of a ketogenic diet on stress resilience and microglial properties. Microglia are distributed across the brain and their function and characteristics vary across the different functional brain domains. This variation is further increased by responses to environmental factors or changes in their immediate environment. Imaging techniques that allow for the identification of microglia, and the analysis of their morphology, density and distribution, remain an important tool to study microglia across different contexts. Microglia are specialized macrophages that originate from the yolk-sac, migrate to the brain during development and become a self-sufficient cell population of the brain. Peripheral macrophages are bone marrow derived. In few contexts, bone marrow-derived macrophages can infiltrate the brain and co-exist alongside microglia. There is a need to develop tools to study the different roles of microglia and bone marrow-derived macrophages. I present a protocol I developed to differentiate between microglia and infiltrating bone marrow-derived macrophages using a double immunostaining for the microglia/macrophage marker ionized calcium-binding adapter molecule 1 (IBA1) and microglial marker transmembrane protein 119 (TMEM119). This protocol also comprises a battery of analyses to assess microglial density, distribution and morphology using open source analyzing tools. It lastly provides tools for result interpretation and troubleshooting of this protocol. My protocol enables the study of microglial features that are relevant in neuroscience research. Psychological stress is major risk for several diseases including psychiatric conditions. Resilience and susceptibility to stress can be modulated by modifiable life-style habits, like diet. Microglia are known to respond to psychological stress and changes in diet. Therefore, in the second part of the thesis, I aimed to study the outcomes of ketogenic diet on stress resilience and microglial properties. In collaboration with my teammates, I present novel findings on the biology of stress resistance, diet and their effects on microglia. I worked with adult male mice following a ketogenic diet (KD) or a control diet (CD) paired with a paradigm of repeated social defeat to study the mechanisms underlying the interindividual differences in the outcomes of psychological stress through the comparison of resistant versus susceptible phenotypes. I observed behavioral changes with a KD. A higher proportion of the KD mice were classified as resistant compared to CD mice following the stress paradigm. Confocal microscopy image analysis of microglia in stress-responsive hippocampus showed morphological adaptations to the diet and stress. Microglia of the non-stressed KD group presented morphological adaptations previously linked to homeostatic microglial states. I further observed distinct morphological changes in microglia of susceptible and resilient animals suggesting specific adaptations to stress. Ultrastructural analysis of hippocampal microglia using scanning electron microscopy also revealed effects of the stress and diet. Microglia of susceptible mice made less contacts with synaptic elements. I observed a reduction of tertiary lysosomes, resulting from phagolysosomal activity, in non-stressed KD mice. I also measured reduced microglial cellular stress markers at the ultrastructural level with the KD treatment. Finally, lipidomic analysis revealed that lipids are differentially regulated by a KD in the hippocampi of susceptible animals. These findings show that diet can boost stress resistance through stress-related lipid changes in the brain and that microglia respond to stress and diet, potentially underlying the beneficial effects of KD. Altogether, my work includes the development of protocols for the study of microglia using advanced imaging techniques and in-depth characterization of microglia morphology and ultrastructure. These methods are employed in a project that studied the interplay of diet and stress and their outcomes on behavior and microglia. My findings showed that KD increases resistance to psychological stress. My results provide the opportunity for followup research in various fields such as psychiatry, nutrition and neuroimmunology.

Que ce soit par nos yeux ou par nos mains, nous interagissons avec notre environnement par l'intermédiaire de senseurs mobiles. L'utilisation efficace de tels organes, dits « sensorimoteurs », implique de garder trace de leur position tandis que nous les bougeons. Dans le cas contraire, la stabilité perceptive et la préhension dirigée seraient profondément entravées. Cependant, les mécanismes neuronaux qui informent le système nerveux de la position de ces organes restent largement inexplorés. Deux mécanismes impliquant une information retour peuvent théoriquement être en jeu : la copie efférente et/ou le retour sensoriel. Pour évaluer leur contribution, nous avons entraîné des rats à placer une vibrisse dans une plage angulaire prédéterminée sans contact, une tâche dépendant de la connaissance qu'ils ont de la position de leur vibrisse. Nous établissons que le retour sensoriel n'est pas requis pour effectuer cette tâche. Le cortex moteur n'est pas non plus requis, même en l'absence de retour sensoriel. Enfin, nous démontrons que le noyau rouge, qui reçoit des entrées du cortex moteur, du cervelet, des afférences vibrissales, et qui projette vers les motoneurones faciaux est impliqué de façon critique dans l'exécution de cette tâche. Ces résultats démontrent l'existence d'un modèle interne, indépendant du cortex moteur et suffisant au contrôle moteur volontaire. Ils suggèrent en outre que le cervelet pourrait être impliqué en tant qu'élément efférent de ce modèle interne. / Whether through our eyes or our hands, we interact with our environment through mobile sensors. The efficient use of these organs implies to keep track of their position over time. Otherwise, perceptive stability and directed prehension would be profoundly impeded. Yet, the neural mechanisms informing the nervous system about organs' position remain largely unexplored. Two feedback mechanisms may theoretically be at play: efference copy and/or sensory feedback. To assess their contribution, we trained head-restrained rats to place their vibrissae in a predetermined angular range without contact, a task that depends on the knowledge of vibrissa position. We find that sensory feedback is not required to perform the task. The motor cortex is neither required, even in the absence of sensory feedback. Finally, we find that the red nucleus, which receives motor cortex, cerebellar and vibrissa inputs, and projects to facial motoneurons is critically involved in the execution of the task. These results demonstrate the existence of a motor cortex-independent internal model sufficient for voluntary motor control. They further suggest that the cerebellum may be involved as an efferent part of this internal model.

Le cortex moteur est responsable de la plupart des mouvements volontaires. Cependant, cette appellation de cortex moteur couvre en réalité plusieurs aires corticales chez l'humain, comme le cortex moteur primaire, le cortex prémoteur ou encore le cortex somatosensoriel, interagissant tous les uns avec les autres. Les zones des cortex sont reliées à des régions spécifiques du corps ; comme le CFA (Caudal Forlimb area) situé dans le cortex moteur primaire chez le rat, qui est la zone responsable des mouvements de la patte avant. Le CFA n'est pas la seule zone responsable des mouvements de la patte avant. Des travaux ont montré qu'une seconde zone existe dans le cortex prémoteur chez le primate, et dans le cortex moteur secondaire chez le rongeur. L'apprentissage tout au long de notre vie est possible grâce à la réorganisation des connexions neuronales dans les différents cortex. Ces changements ne sont pas spontanés et semblent être possibles suite au relâchement de la dopamine dans le cortex par les neurones dopaminergiques. Mon mémoire de maitrise porte sur l'exploration de l'origine de ces projections dopaminergiques vers les zones permettant le mouvement des pattes avant chez le rat, ainsi que sur la comparaison entre les projections dopaminergiques visant chacune de ces zones. Dans un premier temps, une brève présentation des différents cortex chez le rat et le primate, ainsi que de leurs fonctions connues sera effectuée, suivie d'une présentation de la dopamine et de ses implications dans la plasticité et le mouvement. Dans un second temps, les résultats obtenus lors de l'injection de différents marqueurs rétrogrades (Virus rétrograde, CTB et retrobeads) seront exposés, et conduiront à la conclusion que les neurones dopaminergiques projetant vers ces cortex se situent dans le mésencéphale, plus précisément dans l'aire ventrale tegmentale (VTA) et dans la substance noire.

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Les gènes Hox sont essentiels au développement des organismes, étant impliqués, entre autres, dans l'identité cellulaire le long de l'axe antéropostérieur de l'embryon, la spécification des squelettes axial et appendiculaire, la formation du système nerveux et l'organogenèse. Le gène Hoxa5 est indispensable au développement du système respiratoire, puisque les souris mutantes présentent un taux important de mortalité liée à une détresse respiratoire à la naissance. La détection de la protéine HOXA5 dans le mésenchyme du tractus respiratoire ainsi que dans les motoneurones de la région phrénique du système nerveux central nous a mené à étudier la contribution spécifique du gène Hoxa5 dans chaque composante susceptible d'influencer le développement pulmonaire. À l'aide d'une approche d'inactivation conditionnelle, nous avons démontré que la perte de fonction de Hoxa5 dans le mésenchyme affecte le développement trachéal, ainsi que la différenciation épithéliale et la croissance pulmonaire. Aussi, la mutation dans les motoneurones résulte en une hypoplasie pulmonaire ainsi qu'en une innervation et une musculature anormales du diaphragme, des défauts permettant de reproduire la mortalité néonatale obsevée chez les souris Hoxa5-/-. L'expression du gène Hoxa5 est contrôlée par plusieurs séquences régulatrices, dont un responsable l'expression dans les systèmes respiratoire et digestif. Le facteur de transcription Yin Yang 1 (YY1) lie cette séquence et il est impliqué directement dans la régulation de l'expression du gène Hoxa5 dans le poumon. YY1 est exprimé de manière ubiquitaire et peut agir en tant qu'activateur ou répresseur transcriptionnel dépendamment du contexte en recrutant différents coactivateurs ou corépresseurs transcriptionnels. La perte d'expression mésenchymale de Yy1 mène à un phénotype pulmonaire similaire à celui des souris Hoxa5-/- causant la mort à la naissance. Nous avons étudié comment l'inactivation spécifique de Yy1 dans l'épithélium pulmonaire, à l'aide de l'approche d'inactivation conditionnelle, influence le développement pulmonaire. La mutation épithéliale de Yy1 résulte en une mortalité à la naissance causée par une détresse respiratoire, des anneaux de cartilage désorganisés, une différenciation altérée ainsi qu'une absence de formation de l'arbre bronchial menant à une dilatation des voies respiratoires similaire à ce qui est observé chez les patients souffrant de malformations congénitales cystiques du poumon, telle que le blastome pleuropulmonaire (PPB). Nos résultats démontrent le rôle crucial de YY1 dans la morphogenèse pulmonaire et identifie les souris mutantes pour le gène Yy1 comme un modèle potentiel permettant d'étudier les méchanismes génétiques du PPB. / Hox genes encode transcription factors governing complex developmental processes including the anteroposterior patterning of the embryo axis, the specification of the axial and appendicular skeletons as well as the formation of the nervous system and several organs. In the respiratory system, the role of Hoxa5 is critical since the loss of Hoxa5 function causes death at birth of a high proportion of mutant pups due to respiratory distress. HOXA5 protein expression in the mesenchyme of the respiratory tract and in the phrenic motor neurons of the central nervous system led us to address the specific contribution of Hoxa5 in each component to lung development. Using a conditional gene targeting approach, we demonstrated that the genetic ablation of Hoxa5 function in the mesenchyme established the importance of Hoxa5 in trachea development, lung epithelial cell differentiation and lung growth. In parallel, the specific deletion of Hoxa5 in motor neurons resulted in abnormal innervation of the diaphragm, altered diaphragm musculature and lung hypoplasia which are responsible for the neonatal lethality observed in null mutants. Thus, this confirms that a defective diaphragm mainly contributes to impair survival at birth. Hoxa5 expression is under the control of many regulatory elements, one of which is responsible for Hoxa5 expression in the respiratory and digestive tracts. Yin Yang 1 (YY1) is a multifunctional zinc-finger-containing transcription factor that plays crucial roles in numerous biological processes by selectively activating or repressing transcription, depending upon promoter contextual differences and specific protein interactions. We have shown that YY1 regulates Hoxa5 expression in the lung by binding to the lung-specific regulating sequence. However, the mesenchymal loss of Yy1 function causes a lung phenotype similar to the one observed in Hoxa5-/- mutants including neonatal mortality. We then studied how the epithelial-specific inactivation of Yy1 impacts on lung development. The Yy1 epithelial mutation resulted in neonatal death due to respiratory failure. It impaired tracheal cartilage formation, altered cell differentiation, abrogated lung branching and caused airway dilation similar to that seen in human congenital cystic lung diseases, such as the pleuropulmonary blastoma (PPB). Together, our data demonstrate the crucial requirement for YY1 in lung morphogenesis and identify Yy1 mutant mice as a potential model for studying the genetic basis of PPB.

Il existe chez les différentes espèces de rongeurs une importante variabilité dans les capacités à établir des colonies stables en haute altitude (HA). Par exemple, on trouve des souris (Mus) jusqu'à 4000m alors qu’il n’y a pas de rats (Rattus). La capacité des animaux à survivre et réaliser des activités physiques en HA dépend d’adaptations biologiques physiologiques (plasticité phénotypique) et génétiques ou épigénétiques. Des rats Sprague Dawley (SD) maintenus en HA dans des conditions de laboratoire survivent pendant plusieurs générations (La Paz, Bolivia – 3600m) mais présentent des signes de maladaptations physiologiques (érythrocytose excessive, hypertrophie ventriculaire droite – signe d’hypertension artérielle pulmonaire – et altération des structures alvéolaires avec élargissements des espaces pulmonaires). Ces réponses sont principalement liées à une hypersensibilité au niveau d’oxygène (O2) ambient au cours de la période postnatale et élever les rats de HA à une pression d’O2 reproduisant celle du niveau de la mer (NM) au cours de cette période améliore significativement leur adaptation physiologique1,2. Actuellement, aucune adaptation génétique n’a été mise en évidence chez des souris (Mus musculus) sauvages capturées en HA. Notre hypothèse générale est que les souris possèdent des caractéristiques physiologiques spécifiques qui assurent leur survie en HA. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons réalisé 4 études comparant les réponses physiologiques (ventilation, métabolisme, hématologie, saturation artérielle en O2 et rythme cardiaque) entre des souris FVB et des rats SD élevés au NM (Québec, Canada) ou en HA (La Paz, Bolivie – 3600m). Nos principaux résultats démontrent que, par rapport aux rats, les souris adultes de HA présentent une surface alvéolaire augmentée associée avec une meilleure extraction d’O2 sans augmentation excessive de l’érythrocytose ni hypertrophie ventriculaire. Au NM, en conditions ambiantes, les deux espèces présentent des réponses physiologiques similaires. Par contre, après 6h d’exposition en hypoxie (12% d’O2), par rapport aux rats, les souris augmentent leur ventilation minute et diminuent leur métabolisme. Les souris augmentent également l’expression de l’hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – molécule principale de régulation des réponses cellulaires en hypoxie) dans le tronc cérébral après 6h d’hypoxie (15% d’O2) ; cet effet n’est pas présent chez les rats. Au NM, l’hypoxie postnatale induit une augmentation du volume pulmonaire et de la réponse ventilatoire à l’hypoxie chez les souris mais pas chez les rats. Cependant, chez les jeunes rats de HA, l’architecture pulmonaire est préservée comparée aux rats exposés en hypoxie postnatale au NM. En conclusion, les rats vivant en HA depuis plusieurs générations présentent des stratégies physiologiques pour faire face au manque d’O2 ambient leur permettant de survivre dans des conditions de laboratoire mais qui ne sont pas suffisantes pour assurer leur survie en milieu sauvage. Nos résultats confirment également que les souris possèdent des prédispositions physiologiques permettant la survie en altitude. / Different rodent species present divergent abilities to colonize and establish stable colonies at high altitude (HA). Ecological studies show that mice (Mus) can be found at HA (up to 4000m) while rats (Rattus) are absent. The ability of an animal to survive and do physical activities at HA depends upon biological adaptations that can include physiological (phenotypical plasticity) and genetic, or epigenetic modifications. Adult Sprague Dawley (SD) rats can live under laboratory conditions at HA for several generations (La Paz, Bolivia – 3600m), but they display signs of physiological maladaptation such as excessive erythrocytosis, right ventricular hypertrophy (a sign of pulmonary hypertension) and altered alveolar structure with enlarged airspace in the lungs. These responses are mainly linked to an excessive sensibility to the oxygen (O2) ambient level during postnatal life. Indeed, raising the HA rats under sea level (SL) O2 pressure during early postnatal life significantly improved the physiological adaptation1,2. Furthermore, in HA wild mice (Mus musculus) living at HA, there is no signs of genetic adaptation to this environment. Accordingly, our general hypothesis is that mice possess specific physiological traits ensuring survival at HA. To assess this hypothesis, we conducted 4 studies to compare physiological responses (including ventilation, metabolic rate, hematology, lung morphology, arterial O2 saturation and heart rate) between FVB mice and SD rats raised at SL (Quebec, Canada) or HA (La Paz, Bolivia – 3600m). Our main results show that compared with rats, HA adult mice display enhanced alveolar surface area associated with increased O2 extraction, and avoid excessive erythrocytosis and right ventricular hypertrophy. At SL, under ambient conditions, mice and rats display similar physiological variables. However, after 6 hours of sustained hypoxia (12% O2), mice have higher minute ventilation and lower metabolic rate than rats. Mice also had an increased expression of the hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – the principal mediator of the cellular responses in hypoxia) in the brainstem after 6 hours of hypoxia (15% O2), while this response was not observed in rats. Hypoxic exposure during postnatal life at SL increased the lung volume and the hypoxic ventilatory response in mice but not rats. However, young HA rats preserve their lung architecture compared with young SL rats exposed to postnatal hypoxia. We conclude that rats living at HA for several generations display physiological strategies to cope with the ambient hypoxia that allow them to survive in laboratory conditions but are not sufficient to establish stables colonies in the wild. Also, our results confirm that mice are predisposed to withstand hypoxic environment.

Compte tenu de la faible disponibilité de l’oxygène (hypoxie) en haute altitude, l’adaptation à ce milieu constitue un vrai défi pour les espèces adaptées au niveau de la mer. Aussi, le rat et la souris constituent un modèle pertinent pour la compréhension des facteurs qui contribuent à une bonne adaptation en haute altitude. En effet, les rats et les souris de laboratoire élevées à haute altitude durant plusieurs générations possèdent un phénotype différent: les souris présentent une plus importante ventilation, des valeurs d’hématocrite/ hémoglobine diminuées et une hypertension pulmonaire réduite. Ces différences indiquent une mauvaise adaptation des rats qui montrent également une importante mortalité en haute altitude. Néanmoins, les mécanismes impliqués dans cette différence entre ces deux espèces ne sont pas connus. Nous avons donc recherché dans un premier temps si les différences observées entre rats et souris sont également présentent au niveau de la mer, puis dans un second temps si cela avait un lien avec l'expression du senseur moléculaire d'oxygène HIF (Hypoxia Inducible Factor). Nous avons mené une étude au niveau de la mer (Québec, Canada - 98m) pour comparer les réponses ventilatoire et moléculaire entre les rats et les souris. Pour se faire, les animaux sont exposés pendant 6 heures à différents gradients d’oxygène : 21%, 15%, et 12% O2. La ventilation est mesurée par pléthysmographie à corps entier. La consommation d’oxygène (VO2) et la production de CO2 (VCO2) sont évaluées durant la même période d’exposition. Après 6 heures d’exposition, les animaux sont anesthésiés et le tronc cérébral rapidement prélevé pour effectuer une mesure de l’expression de HIF-1α à l’aide de la technique ELISA (Enzyme LinkImmunosorbent Assay). Comparé aux rats, les souris présentent une élévation du débit ventilatoire, une diminution de la VO2 et de la VCO2 et une augmentation de l’équivalant ventilatoire à l’O2 (Ve/VO2) et au CO2 (Ve/VCO2) durant l’exposition à 15 et 12% d’O2. De plus, l’expression de HIF-1α au niveau du tronc cérébral est plus élevée chez les souris en comparaison à celui des rats. En conclusion, la différence de la réponse ventilatoire à l’hypoxie peut être liée à la différence d’expression de HIF-1α au niveau du tronc cérébral. Ces resultantssuggèrent que les souris possèdent une prédisposition génétique permettant une réponse adaptée en milieu hypoxique et pouvant aisément expliquer la facilité que possède cette espèce à survivre et à établir sa colonie en haute altitude. Mot clés : Hypoxie, haute altitude, réponse ventilatoire à l’hypoxie, tronc cérébral, HIF. / Successful adaptation at high altitude is very challenging for sea level natives due to the low level of available oxygen (hypoxia). Rats and mice offer an interesting model to understand the factors that contribute to efficient adaptation to high altitude. Indeed, laboratory rats and mice that have been raised at high altitude for several generations have a different phenotype with mice showing higher ventilation, lower hematocrit/hemoglobin values, and lower pulmonary hypertension. These differences are clearly a failure of adaptation to high altitude in rats, as underlined by data showing high mortality in the colony of high altitude rats. However the underlying mechanisms behind these differences are poorly understood. We sought to address whether these differences are also apparent in mice and rats living at Sea level, and if they are related to different responses of the O2 molecular sensor HIF (Hypoxia Inducible Factor). To test these hypotheses, we chose to perform the study at sea level i.e. at Quebec City, Canada (98m) to compare the ventilatory and molecular responses in male rats and mice. The animals were exposed to different oxygen gradients 21%O2, 15 % O2 and 12% O2 for 6 hours. Ventilation was measured by whole bodyplethysmography, oxygen consumption (VO2) and CO2 production rate (VCO2) were also measured during the exposure. After the 6 hour’s exposure, the animals were anesthetised, and the brainstem quickly dissected, Brainstem HIF-1α expression was measured by Enzyme Link Immunosorbent Assay (ELISA). Compared to rats, mice had higher minute ventilation, lower VO2, VCO2, and higher ventilatory equivalent to oxygen and carbon dioxide, (Ve/VO2, Ve/VCO2) at 15% and 12% O2. In addition, mice also had higher brainstem HIF-1α expression compared to rats. We conclude that the differences in ventilatory responses to hypoxia at sea level might be due to differences in expression of HIF-1α in the brainstem. This suggests that mice have a genetic pre-disposition that ensure adequate response to hypoxia. This trait helps to explain that mice are able to survive and successfully establish natural colonies at high altitude. Key Words: Hypoxia, high altitude, hypoxic ventilatory response, Brainstem, HIF.

Dans les sociétés occidentales, la proportion de personnes âgées est en croissance. Une des conséquences de cette évolution est l'augmentation de la prévalence des maladies dégénératives qui se traduisent souvent par l'apparition d'une déficience cognitive. Dans un contexte de ressources limitées dans les services de santé, et afin de préserver au maximum la qualité de vie de ces personnes, le maintien à domicile est une solution qui doit être privilégiée. Ceci ne peut se faire qu'en assurant un niveau d'autonomie et de sécurité suffisant dans le milieu de vie de ces personnes. Le laboratoire DOMUS vise à apporter des solutions à ce problème en concevant une maison intelligente qui peut à la fois assister ses occupants et préserver leur qualité de vie. Évidemment, l'aptitude à surveiller correctement les activités de l'occupant, et ainsi de lui fournir l'aide pertinente, dépend grandement de l'information sur la position de la personne à l'intérieur de l'habitat intelligent. Ce mémoire propose une solution afin de localiser l'occupant grâce au filtrage bayésien et à un réseau de capteurs anonymes disséminés à l'intérieur de la maison. Le système de localisation est conçu pour une personne unique dans la maison. Il peut cependant être utilisé en conjonction avec d'autres systèmes de localisation dans le cas où plusieurs personnes sont présentes. La solution est fonctionnelle dans des conditions réelles. Une expérimentation est conçue afin d'estimer avec précision sa performance et d'évaluer sa robustesse. L'expérimentation consiste en un scénario de routine quotidienne pensé pour maximiser les mouvements de l'occupant dans la maison en des activités pertinentes. Il a été exécuté par 14 sujets, un sujet à la fois. Les résultats sont satisfaisants: la précision du système excède 85% et est indépendante du profil de l'occupant. Le système fonctionne en temps réel et se comporte bien en présence de bruit.