Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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

A estimulação elétrica periférica (PES), que abrange diversas técnicas com respostas fisiológicas diversas, tem apresentado em alguns casos resultados clínicos promissores para o tratamento da dor e reabilitação clínica. No entanto, as respostas encontradas são heterogêneas, principalmente porque há uma falta de compreensão em relação ao seu mecanismo de ação. Neste estudo, buscamos avaliar os efeitos da PES através da medição da ativação cortical cerebral utilizando a espectroscopia funcional por infravermelho (fNIRS). A fNIRS é um método de imagem óptica funcional que avalia mudanças hemodinâmicas nas concentrações de hemoglobina oxigenada (HbO) e desoxigenada (HbR), relacionadas à atividade cortical. Nós hipotetizamos que a PES do nervo acessório espinal (ASN) pode promover a ativação do córtex motor (MC) e do córtex pré-frontal dorsolateral (DLPFC), relacionados ao processamento da dor. Quinze voluntários saudáveis receberam estimulação elétrica ativa e sham em um ensaio clínico randomizado cruzado. A resposta hemodinâmica à estimulação elétrica unilateral direita do nervo acessório com 10 Hz foi medida pela espectroscopia funcional por um sistema de 40 canais. A variação de HbO nas áreas corticais de interesse mostrou ativação do DLPFC direito (p=0,025) e do MOTOR esquerdo (p=0,042) no grupo ativo comparado com sham. Em relação ao DLPFC esquerdo (p=0,610) e ao MOTOR direito (p=0,154), não houve diferença estatística entre os grupos. Como na modulação top-down, a estimulação bottom-up do nervo acessório parece ativar as mesmas áreas corticais, relacionadas às dimensões sensório-discriminativas e afetivo-motivacionais da dor. Esses resultados fornecem evidência adicional para desenvolver e otimizar o uso clínico da estimulação elétrica periférica. / Peripheral electrical stimulation (PES), which encompasses several techniques with heterogeneous physiological responses, has shown in some cases remarkable outcomes for pain treatment and clinical rehabilitation. However, results are still mixed, mainly because there is a lack of understanding regarding its neural mechanisms of action. In this study, we aimed to assess its effects by measuring cortical activation as indexed by functional near infrared spectroscopy (fNIRS). fNIRS is a functional optical imaging method to evaluate hemodynamic changes in oxygenated (HbO) and de-oxygenated (HbR) blood hemoglobin concentrations in cortical capillary networks that can be related to cortical activity. We hypothesized that PES of accessory spinal nerve (ASN) can promote cortical activation of motor cortex (MC) and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) pain processing cortical areas. Fifteen healthy volunteers received both active and sham ASN electrical stimulation in a crossover design. The hemodynamic response to unilateral right ASN burst electrical stimulation with 10 Hz was measured by a 40- channel fNIRS system. The effect of ASN electrical stimulation over HbO concentration in cortical areas of interest was observed through the activation of right- DLPFC (p=0.025) and left-MOTOR (p=0.042) in the active group but not in sham group. Regarding left-DLPFC (p=0.610) and right-MOTOR (p=0.174) there was no statistical difference between groups. As in non-invasive brain stimulation (NIBS) topdown modulation, bottom-up electrical stimulation to the accessory spinal nerve seems to activate the same critical cortical areas on pain pathways related to sensorydiscriminative and affective-motivational pain dimensions. These results provide additional mechanistic evidence to develop and optimize the effects of peripheral neural electrical stimulation.

Au laboratoire comme sur le terrain, le choix de la cadence lors de l’exercice de pédalage est un élément important dans la réalisation d’un exercice. De nombreux travaux ont porté sur l’effet de la cadence de pédalage sur différents aspects tels que la performance, les paramètres cardiorespiratoires, la participation du métabolisme « anaérobie » et le recrutement musculaire. Cependant, très peu de travaux ont étudié l’effet de la cadence de pédalage sur la disponibilité et l’utilisation d’O2 au niveau musculaire et cérébral. L’objectif principal de cette thèse était de comprendre les effets de la cadence de pédalage sur la disponibilité en O2 ainsi que l’utilisation d’O2 au niveau musculaire et cérébral. Le but de nos trois plans expérimentaux était d’étudier d’une part l’effet de la cadence de pédalage sur l’hétérogénéité de la déoxygénation musculaire lors de l’exercice modéré et d’autre part l’effet de la cadence sur l’oxygénation musculaire et cérébrale et sur la performance lors de l’exercice intense chez des sujets non entraînés ainsi que chez des sujets entraînés à l’endurance.Ce travail nous a permis de montrer que, lors de l’exercice d’intensité modérée, V ̇O2 de l’organisme entier et l’hétérogénéité de la déoxygénation musculaire étaient plus élevées à cadence élevée qu’à cadence faible, bien que la déoxygénation n’était pas modifiée par la cadence de pédalage chez les sujets non entraînés à l’endurance. D’autre part, lors de l’exercice intense mené jusqu’à l’épuisement, la performance était améliorée à 40 rpm par rapport à 100 rpm chez les sujets non entraînés tandis qu’aucune différence significative n’était observée entre les deux cadences chez les triathlètes. De plus, l’extraction d’O2 au niveau du vastus lateralis était dépendante de la cadence de pédalage chez les sujets non entraînés mais ne l’était pas chez les sujets entraînés à l’endurance. Enfin, nous avons observé un effet de la cadence de pédalage sur l’oxygénation cérébrale et en particulier une possible élévation de la disponibilité en O2 au niveau cérébral à faible cadence de pédalage chez les deux populations. Pour conclure, ce travail nous a permis de mettre en évidence des différences liées à l’aptitude aérobie des sujets et à l’intensité de l’exercice dans les réponses de l’oxygénation cérébrale et musculaire et de la performance lors d’exercices effectués à différentes cadences. / Choosing the pedalling cadence during the cycling exercise, in the laboratory as well as on the field, is a crucial element in fulfilling an exercise. Many studies have examined the effect of pedal cadence on various aspects such as performance, cardiorespiratory parameters, the participation of the “anaerobic” metabolism and muscle recruitment. However, few studies have investigated the effect of pedal cadence on the O2 availability and its utilization in the muscle as well as in the brain. This is why the main objective of this thesis was to understand this subject which is underdeveloped. The aim of our three experimental procedures was on one hand to study the effect of pedal cadence on the heterogeneity of the muscle’s deoxygenation during moderate exercise. On the other hand, to study the effects of pedal cadence on muscle and cerebral oxygenation and also on the performance during heavy exercise in untrained subjects, as well as in endurance-trained subjects.This work allows us to show that at moderate-intensity exercise, whole body V ̇O2 and the heterogeneity of muscle deoxygenation were higher at high cadence than at a lower one, even if the deoxygenation was not altered by the pedalling cadence in non-endurance-trained subjects. On the other hand, during intense exercise performed until exhaustion, the performance improved at 40 rpm than at 100 rpm in untrained subjects, while no significant difference was observed between the two cadences among triathletes. In addition, the O2 extraction in the vastus lateralis depended on the pedal cadence in untrained subjects and the opposite in endurance-trained subjects. Finally, we observed an effect of pedal cadence on cerebral oxygenation and in particular a possible rise in the availability of O2 in the brain on a lower cadence in both population levels. In conclusion, this work has allowed us to highlight the differences in the aerobic fitness of the subjects and in the intensity of the exercise in brain and muscle oxygenation responses and performance during exercises performed at different cadences.

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

Le chernozem est un sol emblématique, car il a participé à la naissance de la pédologie par l’intermédiaire des travaux de Dokuchaev (1883). Depuis, la formation des chernozems a suscité de nombreuses questions parmi les pédologues, botanistes et paléo-environnementalistes. Tandis qu’en Europe de l’Est et en Eurasie les chernozems sont décrits comme des sols zonaux, typiques des milieux steppiques continentaux, les zones où on les rencontre en Europe Centrale sont prédisposées par leur climat à la présence de forêts. L’objectif de notre travail vise à enrichir ce débat en reconstituant les conditions environnementales de la pédogénèse de ces sols en Europe Centrale. Le chernozem est un sol le plus souvent développé sur lœss à horizon de surface organique très épais et sombre qui passe directement à un horizon calcaire. La matière organique a subi une lente évolution sous la dépendance de contrastes climatiques. Néanmoins, en Europe Centrale, les facteurs climatiques liés à la présence de chernozems sont à nuancer. Les chernozems sont censés s’être formés sous les conditions climatiques différentes d’aujourd’hui qui ont dominé en Europe Centrale au Tardiglaciaire et au début de l’Holocène. Si des nuances climatiques permettent d’expliquer la différence de répartition des chernozems (« plus sec ») et des luvisols (« plus humide ») à l’échelle régionale, ce n’est plus vrai à l’échelle locale où les limites entre ces sols sont très brutales, alors que les conditions de milieu sont identiques. Une théorie pour expliquer leur persistance considère que ce serait l’ouverture artificielle du milieu, continue depuis le Néolithique, qui aurait bloqué leur évolution vers d’autres types de sols. Cette hypothèse expliquerait leur répartition sous forme d’îlots ou de mosaïque, alternant avec des luvisols et des phaeozems. Nous avons privilégié dans notre questionnement l’étude des archives pédologiques, plus précisément celle des matières organiques, dont certaines ont la capacité de résider dans le sol pendant des milliers d’années. Celles-ci sont d’origine locale et permettent donc de reconstituer l’environnement végétal immédiat lors de la formation du sol. Elles ont été analysées par spectroscopie proche infrarouge qualitative (SPIR-qual). Cet outil représente une approche novatrice dans l’étude des paléo-environnements. Cette approche s’est accompagnée d’une étude pédoanthracologique sur certains paléosols et de l’analyse micromorphologique d’une catena chernozem – luvisol à l’échelle stationnelle. Nous avons montré que certains chernozems ont évolué constamment sous prairie, tandis que d’autres ont une histoire récente forestière, mais ont connu auparavant une évolution sous végétation de prairie. Les études pédoanthracologiques sur des paléochernozems pléistocènes et holocènes ont chaque fois révélé la présence de charbons de bois d’essence forestière. L’analyse micromorphologique de la catena met en évidence un chernozem qui s’est développé à partir d’un luvisol ce qui contraste avec les modèles habituels de dégradation des chernozems en luvisols. Ce travail confirme que la couverture végétale des chernozems peut selon le cas être forestière ou prairiale. Il est certain que des chernozems ont évolué pendant un laps de temps long sous forêt. Ce résultat est en contradiction avec l’hypothèse dominante, qui veut que les chernozems se développent et subsistent exclusivement sous steppe. / Chernozem became the crucial soil for the beginnings of soil science through the work of Dokuchaev from 1883. Since then the genesis of chernozems in Central Europe has raised many questions among soil scientists, botanists and paleo-environmentalists. While in Eastern Europe chernozems have been described as zonal soils, that are typical for continental steppe and forest-steppe areas, there are areas in Central Europe which are predisposed by their climatic characteristics to the presence of woodlands. The goal of this dissertation is to enrich the discussion about the genesis of chernozems by restoring the environmental conditions that were prevalent during the formation of chernozem soils in Central Europe. Chernozems are usually developed on loess with a very thick and dark organic surface which passes directly to a calcareous horizon. The organic matter underwent a polymerization in dependence on climate contrasts. However, in Central Europe, the climatic characteristics of the areas of chernozems are a bit different. These chernozems are supposed to have been formed under the climatic conditions that dominated Central Europe during the Late Glacial and the Early Holocene. The climatic nuances may contribute to the explanation of the differences in distribution of chernozems ("drier") and luvisols ("more humide") at a regional level, but they are no help at a local level with the same environmental conditions where the boundaries between chernozems and luvisols are very sharp. There is a theory about their persistence that considers the agriculture since the Neolithic being the reason for the fact that their progression to other types of soil was blocked. This theory would explain their distribution in the form of mosaic, alternating with luvisols and phaeozems. This study is focused on questioning of the memory of soils and especially of their organic matter. Some soil organic matter has the ability to persist in soils for thousands of years. Such organic matter has a purely local origin. That is why it is possible to reconstruct the vegetation from the period of time of the formation of soils. There is qualitative near infrared spectroscopy (NIRS) applied for the analysis of the soil organic matter. This method is an innovative approach to the studying of the paleoenvironments of chernozems. This approach is accompanied by a anthracological study of some paleosols and of a micromorphological analysis of a catena chernozem - luvisol on a very local scale (300 m). The NIRS analysis has proved that some chernozems developed under grassland. Other chernozems have a recent forest history, but they had also existed under grassland vegetation before. There were found some chernozems with a source of heterogeneous organic material. The charcoals studies of paleochernozems of the Pleistocene and of the Holocene have revealed the presence of woods. The micromorphological analysis of a catena between chernozem and luvisol has shown a chernozem which developed from a luvisol. That contrasts with the usual models of the degradation of chernozems into luvisols. This dissertation confirms that the vegetation cover of chernozems can be both: grassland or woodland. Certainly, chernozems also developed under forest during a period of time. This result is inconsistent with the prevailing hypothesis that claims chernozems develop and preserve exclusively under steppe. / Černozemě se staly díky Dokučajevově dizertaci z roku 1883 významné pro počátky vědy o půdě. Geneze černozemí ve Střední Evropě se dodnes těší velkému zájmu pedologů, botaniků a paleoenvironmentalistů. Zatímco ve Východní Evropě byly popsány jako zonální půdy, které jsou typické pro kontinentální stepi, existují ve Střední Evropě oblasti, jež jsou svými klimatickými vlastnostmi predestinovány pro přítomnost lesních porostů. Předkládaná dizertační práce si klade za cíl přispět k diskuzi o vzniku černozemí tím, že pojednává o environmentálních podmínkách, které byly určující při formování černozemních půd ve Střední Evropě. Černozemě se obvykle vyvíjely na spraši, jsou charakteristické svým mocným povrchovým organickým horizontem, který přímo přechází do horizontu vápenatého. Organický materiál prošel díky meziročním klimatickým rozdílům pomalou polymerizací. Ve Střední Evropě jsou ale klimatické vlastnosti černozemních oblastí odlišné. Zdejší černozemě se patrně formovaly v klimatických podmínkách, které převládaly v pozdní době ledové a raném holocénu. Klimatické nuance sice mohou na regionální úrovni přispět k osvětlení rozdílů v distribuci „suchých“ černozemí a „spíše vlhkých“ hnědozemí, ale rozhodně neřeší problematiku na lokální úrovni, kde při stejných klimatických podmínkách existují ostré přechody mezi černozemí a hnědozemí. Teorie o zachování černozemí praví, že zemědělská činnost v neolitu zabránila jejich přeměnám v další půdy. Tato teorie nabízí uspokojivé vysvětlení k rozmístění černozemních půd ve formě mozaiky, kde černozemě alternují s hnědozeměmi či šedozeměmi. Práce se zaměřuje na otázku paměti půd a jejich organického materiálu. Některý organický materiál může v půdě existovat po tisíce let, je výhradně lokálního původu, a proto je možné z něj určit vegetaci z doby formování půd. Pro analýzu půdního organického materiálu je užívána metoda infračervené spektroskopie (NIRS). Tato metoda představuje inovativní přínos ke studiu paleoenvironmentálních prvků u černozemí. Mimoto práce obsahuje i paleoantrakologickou studii vybraných pohřbených půd a mikromorfologickou analýzu katény černozem – hnědozem na malém území (300m). NIRS prokázala, že některé černozemě vznikaly pod travnatým povrchem. Jiné černozemě mají nedávnou lesní historii, ale původně se nacházely pod travnatou vegetací. Nalezeny byly i černozemě s heterogenním organickým materiálem. Výzkum uhlíku z paleočernozemí z období pleistocénu a holocénu prokázal přítomnost dřevin. Mikromorfologická analýza katény mezi černozemí a hnědozemí demonstruje, že jsou i černozemě vzniklé z hnědozemě, což kontrastuje s obvyklými modely degradace černozemí na hnědozemě. Tato dizertační práce dokazuje, že vegetace pokrývající černozemě může být dřevinné nebo travnaté povahy. Zcela jistě se černozemě vyvíjely také pod lesem. Výsledky dizertace jsou v rozporu s převládající hypotézou o tom, že černozemě vznikají a poté trvale existují výhradně pod stepí.