IntroductionLa neurostimulation vagale (NSV) à haute fréquence (30 Hz) est utilisée commethérapeutique de certaines formes d'épilepsie et de dépression réfractaires aux traitements chezl'Homme. De plus, la NSV à basse fréquence (5 Hz) a été expérimentée avec succès chez l'animalpour traiter différentes inflammations périphériques, notamment digestives. Des travaux récents ontmis en évidence que cet effet anti-inflammatoire est induit par l'activation des fibres efférentesvagales, libérant en périphérie de l'acétylcholine, inhibant la sécrétion des cytokines proinflammatoires.Cette voie est connue sous le nom de voie anti-inflammatoire cholinergique.Toutefois, le mécanisme d'action de la NSV 5 Hz reste mal connu et d'autres voies pourraient êtremises en jeu impliquant le système nerveux central (SNC) et le système immunitaire périphérique.ButLes travaux réalisés ont eu pour objectif d'étudier l'implication du SNC et du systèmeimmunitaire dans la modulation de l'inflammation induite par la NSV basse fréquence chez unmodèle de rat anesthésié. Tout d'abord, afin d'étudier l'implication du SNC lors de la NSV 5 Hz, uneétude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a été réalisée sur le rat "sain"anesthésié. Ensuite, une étude a été effectuée sur l'effet de la NSV sur les cellules immunitairesspléniques ainsi que sur le tube digestif chez un modèle de rat "sain" puis chez un modèle de ratatteint d'une colite expérimentale induite par une injection intra-colique d'acide trinitrobenzènesulfonique (TNBS).RésultatsLes données obtenues lors de l'étude d'IRMf ont mis en évidence un rôle important desfibres afférentes vagales; elles modulent certaines structures du SNC qui pourraient participer à larégulation de l'inflammation digestive induite par la NSV 5 Hz. Les études réalisées sur les souspopulationslymphocytaires spléniques ont révélé que d'autres cellules immunitaires que lesmacrophages étaient impliquées lors de la NSV. Chez le modèle de rat "sain", les résultats decytométrie en flux ont montré que la NSV 3h 5 Hz induisait une diminution de l'activation deslymphocytes T CD4 ainsi que du pourcentage de NKT par rapport aux lymphocytes T. Ces résultatssont en faveur d'un rôle de la NSV 3h inhibant l'activation lymphocytaire et jouant un rôle sur les NKTpossédant des propriétés immunorégulatrices. La NSV 3h n'a pas le même effet chez le modèle de ratprésentant une colite. En effet, le dosage de cytokines sécrétées par les splénocytes en culturemontre que la NSV augmente le potentiel de sécrétion d'IL-10 (cytokine anti-inflammatoire) dessplénocytes et plus particulièrement des lymphocytes T CD4 spléniques. Parallèlement, l'effet antiinflammatoirede la NSV a été mis en évidence au niveau du côlon transverse (au-dessus de la zonelésée) par une diminution des ARNm de SOCS3 et du TNF-α et de la myéloperoxidase. Ces donnéesont démontré un rôle de la NSV sur la fonctionnalité des lymphocytes T CD4 spléniques. La NSV 3h 5Hz orienterait la réponse immunitaire vers une réponse anti-inflammatoire en phase d'initiationd'inflammation digestive. De plus, l'effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé au niveau du tubedigestif au-dessus de la zone lésée (côlon transverse).ConclusionCes données expérimentales montrent que d'autres voies impliquant différents typescellulaires sont susceptibles d'être mises en oeuvre par la NSV basse fréquence. Elle induitl'implication du SNC par l'activation des afférences vagales et des cellules immunitaires spléniquestelles que les lymphocytes T CD4 et les NKT. Un effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé auniveau du côlon transverse, mais pas au niveau des lésions dans le côlon distal. Ces résultatsprésentent des implications thérapeutiques : la NSV basse fréquence est actuellement en essaiclinique pour être utilisée comme traitement dans la maladie de Crohn.

Le glaucome est la première cause de cécité irréversible à travers le monde. À présent il n’existe aucun remède au glaucome, et les thérapies adoptées sont souvent inadéquates. La perte de vision causée par le glaucome est due à la mort sélective des cellules rétiniennes ganglionnaires, les neurones qui envoient de l’information visuelle de la rétine au cerveau. Le mécanisme principal menant au dommage des cellules rétiniennes ganglionnaires lors du glaucome n’est pas bien compris, mais quelques responsables putatifs ont été proposés tels que l’excitotoxicité, le manque de neurotrophines, la compression mécanique, l’ischémie, les astrocytes réactifs et le stress oxidatif, parmis d’autres. Indépendamment de la cause, il est bien établi que la perte des cellules rétiniennes ganglionnaires lors du glaucome est causée par la mort cellulaire programmée apoptotique. Cependant, les mécanismes moléculaires précis qui déclenchent l’apoptose dans les cellules rétiniennes ganglionnaires adultes sont mal définis. Pour aborder ce point, j’ai avancé l’hypothèse centrale que l’identification de voies de signalisations moléculaires impliquées dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires offrirait des avenues thérapeutiques pour ralentir ou même prévenir la mort de celles-ci lors de neuropathies oculaires telles que le glaucome. Dans la première partie de ma thèse, j’ai caractérisé le rôle de la famille de protéines stimulatrices d’apoptose de p53 (ASPP), protéines régulatrices de la famille p53, dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires. p53 est un facteur de transcription nucléaire impliqué dans des fonctions cellulaires variant de la transcription à l’apoptose. Les membres de la famille ASPP, soit ASPP1, ASPP2 et iASPP, sont des protéines de liaison de p53 qui régulent l’apoptose. Pourtant, le rôle de la famille des ASPP dans la mort des cellules rétiniennes ganglionnaires est inconnu. ASPP1 et ASPP2 étant pro-apoptotiques, l’hypothèse de cette première étude est que la baisse ciblée de ASPP1 et ASPP2 promouvrait la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires après une blessure du nerf optique. Nous avons utilisé un modèle expérimental bien caractérisé de mort apoptotique neuronale induite par axotomie du nerf optique chez le rat de type Sprague Dawley. Les résultats de cette étude (Wilson et al. Journal of Neuroscience, 2013) ont démontré que p53 est impliqué dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires, et qu’une baisse ciblée de ASPP1 et ASPP2 par acide ribonucléique d’interference promeut la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé le rôle d’iASPP, le membre anti-apoptotique de la famille des ASPP, dans la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires. L’hypothèse de cette seconde étude est que la surexpression d’iASPP promouvrait la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires après axotomie. Mes résultats (Wilson et al. PLoS ONE, 2014) démontrent que le knockdown ciblé de iASPP exacerbe la mort apoptotique des cellules rétiniennes ganglionnaires, et que la surexpression de iASPP par virus adéno-associé promeut la survie des cellules rétiniennes ganglionnaires. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes régulateurs sous-jacents la perte de cellules rétiniennes ganglionnaires par apoptose et pourraient fournir des pistes pour la conception de nouvelles stratégies neuroprotectrices pour le traitement de maladies neurodégénératives telles que le glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. At present, there is no cure for glaucoma, and current therapies are often inadequate. Loss of vision in glaucoma results from the death of retinal ganglion cells, the neurons that send visual information from the retina to the brain. The principal mechanism leading to retinal ganglion cell damage during glaucoma is not well understood, however, putative culprits have been proposed including excitotoxicity, neurotrophin deprivation, mechanical compression, ischemia, reactive astrocytes and oxidative stress. It is well established that retinal ganglion cell loss during glaucoma is caused by apoptotic programmed cell death, however, the precise mechanisms that lead to apoptotic death of adult retinal ganglion cells are poorly defined. To address this point, I put forth the central hypothesis that the identification of signaling pathways involved in apoptotic retinal ganglion cell death would offer therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I characterised the role of Apoptosis Stimulating Protein of p53 family (ASPP) proteins, which are regulators of p53, in the apoptotic death of retinal ganglion cells. p53 is a nuclear transcription factor implicated in cellular functions ranging from transcription to apoptosis. ASPP family members ASPP1, ASPP2 and iASPP are p53 binding proteins that belong to a family of protein regulators of p53-dependent apoptotic death. However, the role of ASPP family members in retinal ganglion cell death is unknown. As ASPP1 and ASPP2 are pro-apoptotic, the hypothesis of our first study was that the knockdown of ASPP1 and ASPP2 gene expression would lead to retinal ganglion cell survival after an optic nerve lesion. We used a well-characterized experimental model of neuronal apoptosis induced by optic nerve axotomy in Sprague Dawley rats. The results of this study (Wilson et al. Journal of Neuroscience, 2013) demonstrated that p53 is implicated in retinal ganglion cell death, and that targeted knockdown of ASPP1 and ASPP2 by short interference ribonucleic acid promotes retinal ganglion cell survival. The knockdown of ASPP2 correlates with a reduction in the levels of pro-apoptotic p53 regulated targets PUMA and Fas/CD95. In the second part of my thesis, I characterized the role of the anti-apoptotic member of the ASPP family, iASPP, in the apoptotic death of retinal ganglion cells. The hypothesis of this second study is that the overexpression of iASPP would promote retinal ganglion cell survival after axotomy. The data (Wilson et al. PLoS ONE, 2014) demonstrate that the targeted knockdown of iASPP by short interference ribonucleic acid exacerbates retinal ganglion cell death, and that the overexpression of iASPP by adeno-associated virus promotes retinal ganglion cell survival. The overexpression of iASPP correlates with a reduction in protein levels of PUMA and Fas/CD95. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying retinal ganglion cell loss by apoptosis and might provide insights into the design of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

L'étude de la conscience est un sujet d'investigation fascinant avec un large champ d'applications et d'implications. Les processus de la conscience peuvent être divisés en deux composantes indépendantes quoiqu'intimement liées : l'état conscient et le contenu conscient. L'état conscient correspond aux processus de variation de la vigilance, tandis que le contenu conscient fait référence aux expériences sensorielles perçues et manipulées dans un espace conscient. Bien que la conscience soit un élément essentiel de la cognition humaine, qui conditionne ce que les gens vivent et peuvent se remémorer, la légitimité et le bien-fondé de l'analyse scientifique et rigoureuse des corrélats neuronaux de la conscience soulèvent encore des débats houleux. Dans la première partie de cette thèse, j'utilise un célèbre paradigme de conflit sensorimoteur pour identifier des corrélats neuronaux de l'émergence de la conscience. Les travaux initiés par Torstein Nielsen (Nielsen 1963) ont démontré que la majorité des traitements sensorimoteurs s'effectuent sans nécessiter une analyse consciente. L'émergence de phénomènes conscients apparaissant à partir d'un seuil subjectif de conflit sensori-moteur appelé point d'égalité subjective. A partir d'enregistrements électroencéphalographiques, effectués chez une population de sujets adultes, il est possible d'identifier des sources d'activités corticales indépendantes des intensités des stimulations sensorielles expérimentées et spécifiques de l'émergence d'une sensation perçue consciemment. Ainsi, j'ai pu démontrer que le précuneus était une structure centrale dans les processus qui transforment un conflit sensorimoteur en une expérience consciente. J'ai également étudié ce phénomène d'un point de vue développemental en examinant les performances comportementales et des enregistrements EEG recueillies chez l'enfant. Bien que le moment de la correction du mouvement et la qualité du tracé de la trajectoire étaient similaires aux données mesurées chez les sujets adultes, le seuil de conscience motrice s'est montré plus élevé et l'activité du cortex pariétal n'a pas été retrouvée. En revanche, l'aire motrice supplémentaire a été identiée comme un corrélat important de l'émergence d'une sensation consciente d'un conflit sensorimoteur chez l'enfant. Dans une seconde partie, mes travaux ont été consacrés à l'hypothèse audacieuse qu'une stimulation électrique du nerf vague pourrait modifier l'état de conscience d'un patient se trouvant dans un état végétatif depuis 15 ans. Nous rapportons les effets bénéfiques observés après cette thérapeutique expérimentale au niveau comportemental, clinique et neurophysiologiques. Les enregistrements EEG et les méthodes de mesure de connectivité fonctionnelle m'ont permis d'observer chez ce patient une augmentation du partage d'informations corticales particulièrement importante dans les régions pariétales. L'effet de la stimulation a été également confirmé par d'autres méthodes. L'imagerie métabolique a montré une augmentation généralisée de l'activité corticale et sous-corticale et les évaluations cliniques par la CRS-R ont montré une amélioration de l'état de conscience corrélée aux observations électroencéphalographiques. Ces changements induits par la stimulation du nerf vague sont prometteurs car les modifications cérébrales observées sont caractéristiques de l'amélioration des états de conscience chez les patients gravement cérébrolésés. L'ensemble de ces résultats suggèrent que le lobe pariétal constitue à la fois un corrélat important de l'état de conscience et du contenu conscient, faisant de cette région une composante essentielle de l'émergence de la conscience. De plus, nos résultats préliminaires suggèrent que la conscience peut être, au moins partiellement, restaurée. Cette découverte ouvre de toutes nouvelles perspectives pour le futur des recherches en neurosciences où, l'hypothèse d'une modulation de la plasticité cérébrale avait été oubliée / The study of consciousness is a fascinating topic of investigation with a wide field of applications and implications. Consciousness processes can be divided into two orthogonal though intimately linked components: the conscious state, that is the state of vigilance or arousal, and the conscious content which refers to the external inputs perceived and manipulated in a conscious space. Although consciousness represents the most important human dimension where people's personal events are continuously experienced and remembered, it is somewhat surprising that its underlying neural processes still sparks lot of debates. In the first part of this PhD thesis, I took advantage from a well-known sensorimotor conflict paradigm, the Nielsen task, to investigate the neural correlates of the emergence of consciousness. Starting from the principle that much of motor processing occurs outside of awareness, I adapted the Nielsen paradigm to neurally investigate how the perception of a motor conflict in healthy subjects smoothly shifted along the unaware/aware state (i.e. point of subjective equality). Using EEG recordings, I then identify the brain sources which I consider the neural fingerprint of awareness. I found that the precuneus was critical for bringing the sensorimotor conflict into awareness. I also investigated this issue from a developmental perspective by examining the performance of healthy children. Although the timing of movement correction and the quality of movement trajectory in children was similar to adult subjects, motor awareness was shifted towards higher perception thresholds while parietal cortex activity was not found. Rather, children's response to conflict awareness was linked to SMA. After having addressed the topic of awareness in this first part, I will focus more on the second component, wakefulness. Usually these two components evolve together, however there are some pathological states in which they can be dissociated. It is the case for vegetative state patients who experience a state of wakefulness without awareness. In the second part of the thesis, I investigated the challenging hypothesis of a potential return to a conscious state, in a patient lying in a vegetative state for 15 years, after vagus nerve stimulation (VNS). We report beneficial effects of VNS including improved behavioural responsiveness and reinforced brain connectivity patterns as key signs of increased consciousness. The results showed an increase of information sharing a measure of functional connectivity particularly prominent across centro-posterior regions. Converging findings, coming from different methods, showed that VNS promoted the spread of cortical signals and metabolism which we found correlated with behavioural improvement as measured with the CRS-R scale. The VNS-induced changes are promising since they seem to follow an already known connectivity pattern characterizing state of consciousness improvements. Taken together, these findings indicate that the parietal lobe constitutes the neural correlate of both state and content-specific consciousness and suggest that this region is a "hot zone" for its emergence. Moreover, our first findings in a vegetative state patient also suggest that consciousness can be potentially repaired, thus opening the way to a new avenue of research in a domain where brain plasticity was underestimated

L'implant cochléaire est une prothèse neurale implantée visant à restituer une sensation auditive chez des personnes souffrant de surdité neurosensorielle sévère à profonde. Si les performances en reconnaissance de la parole sont relativement bonnes dans le silence, elles chutent dramatiquement dans des environnements sonores complexes. L'une des principales limites de l'appareil vient du fait que chaque électrode stimule une large portion de la cochlée. Ainsi lorsque plusieurs électrodes sont activées les champs électriques produits interfèrent ce qui détériore la transmissions des informations sonores. Plusieurs modes de stimulation ont été proposés pour remédier à ce problème mais les améliorations en termes de reconnaissance de la parole restent limités. Dans ce projet, nous cherchons tout d'abord à expliquer via une simulateur acoustique, les résultats décevants obtenus avec le mode de stimulation bipolaire. Dans un deuxième temps nous tentons de mieux comprendre le comportement électrique de l'oreille interne implantée afin d'optimiser la stimulation multipolaire phased array (van den Honert et Kelsall 2007). Pour obtenir une stimulation efficace il faut par ailleurs s'assurer de l'état de la population neuronale à stimuler. Dans ce projet nous essayons donc de mieux comprendre l'interface électrode-neurones et d'identifier un possible corrélat psychophysique de l'état des neurones. Enfin nous discutons la possibilité de créer une stimulation optimale focalisée directement au niveau des neurones. / The cochlear implant is a neural prosthesis designed to restore an auditory sensation to people suffering from severe to profound sensorineural deafness. While satisfying speech recognition can be achieved in silence, their performance dramatically drop in more complex environments. One main limitations of the present device is due to the fact that each electrode stimulates a wide portion of the cochlea. As a result, when several electrodes are activated, the electrical field produced by different electrodes overlap which distorts the transmission of sound information. Several alternative stimulation modes have been proposed to overcome this issue but the benefit in terms of speech recognition remained limited. In this project, we first used an acoustic simulator of the cochlear implant to explain the desappointing results obtained with the bipolar stimuilation mode. We then try to better understand the electrical behavior of the implanted cochlea in order to optimize the multipolar phased array stimulation strategy ( van den Honert and Kelsall 2007). To achieve an efficient stimulation of the neural population it is necessary to determine the distribution of neural survival. In this project we aim to better understand the electrode-neuron interface and identify a possible psychophysical correlate of neural survival. Finally, we discuss the main results and the possibility to design an optimal stimulation strategy to achieve a spatially-focussed electrical field at the level of the nerve fibers.

L’anesthésie loco-régionale présente une alternative intéressante à l’anesthésie générale dans de nombreuses interventions chirurgicales. L’atout majeur de cette technique est qu’elle réduit grandement les scores de douleurs et améliore par la même la mobilité post-opératoire. L’anesthésie locorégionale écho-guidée (UGRA) devient aujourd’hui, la méthode de référence dans le domaine de l’anesthésie, offrant de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes comme la neurostimulation. Cependant, cette technique nécessite en contrepartie un apprentissage spécifique afin d’éviter des complications sévères liées à une erreur de localisation visuelle du nerf dans les images échographiques. L’objectif de cette thèse est de faciliter et de sécuriser la pratique de l’anesthésie loco-régionale écho-guidée. Dans un premier temps, nous avons proposé une méthode de détection du nerf mettant en oeuvre un algorithme qui suite à un prétraitement à partir de filtres fréquentielles, réalise une analyse de texture par apprentissage. Dans ce cadre, deux nouvelles approches ont été explorées : l’une concerne la caractérisation du nerf qui s’appuie sur la prise en compte du bruit présent dans une image ultrasonore, bruit ayant été au préalable atténué partiellement. L’autre propose une technique de sélection des caractéristiques mettant en avant celles qui sont les moins redondantes et les plus pertinentes. Dans un second temps, après étude fine du comportement variable de la morphologie du nerf tout au long d’une séquence d’images ultrasonores, nous avons développé un modèle dynamique ayant comme paramètres des informations en lien avec la cohérence temporelle de la position, de la forme et la confiance de classification des ROI potentielles afin de générer une segmentation robuste. Il est proposé également dans cette partie, un nouveau modèle de forme prenant en compte un ensemble d’intervalles de points de repères du contour, permettant ainsi de s’adapter aux variations de la forme du nerf dans le temps. / Regional anesthesia presents an interesting alternative or complementary act to general anesthesia in many surgical procedures. It reduces pain scores, improves postoperative mobility and facilitates earlier hospital discharge. Ultrasound-Guided Regional Anesthesia (UGRA) has been gaining importance in the last few years, offering numerous advantages over alternative methods of nerve localization (neurostimulation or paraesthesia). However, nerve detection is one of the most difficult tasks that anesthetists can encounter in the UGRA procedure. The context of the present work is to provide practitioners with a method to facilitate and secure the practice of UGRA. However, automatic detection and segmentation in ultrasound images is still a challenging problem in many medical applications. This work addresses two main issues. The first one, we propose an algorithm for nerve detection and segmentation in ultrasound images, this method is composed of a pre-processing, texture analysis and machine learning steps. In this part of work, we explore two new approaches ; one to characterize the nerve and the second for selecting the minimum redundant and maximum relevant features. The second one, we studied the nerve detection in consecutive ultrasound frames. We have demonstrated that the development of an algorithm based on the temporal coherence of the position, the shape and the confidence measure of the classification, allows to generate a robust segmentation. In this work, we also propose a new model of shape based on a set of intervals landmarks able to adapt to the nerve shape under a morphological variations.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf ) permet de détecter sur le cerveau entier des activations neuronales en réponse à un stimulus, par le biais de l'observation des modifications hémodynamiques occasionnées. En particulier, l'IRMf est un outil de choix pour l'étude des mécanismes de la stimulation cérébrale profonde et de la stimulation du nerf vague qui sont encore mal connus. Cependant, cette technique n'est pas facilement utilisable chez l'homme en raison des problèmes de sécurité vis-à-vis de l'action des champs magnétiques intenses utilisés en IRM au niveau des électrodes implantées. Les développements méthodologiques chez l'animal sont donc nécessaires. L'objectif principal de cette thèse est l'étude des mécanismes à distance de la stimulation du système nerveux central et périphérique par IRMf chez le rat. Nous présentons dans un premier temps les séquences IRM rapides utilisées en IRMf, comme l'Echo-Planar Imaging multishot, permettant d'imager le cerveau entier en 1 à 2 secondes seulement, ainsi que les différents problèmes posés par l'utilisation de ces séquences, comme les artefacts de susceptibilité magnétique. Le couplage des séquences développées durant cette thèse avec des mesures électrophysiologiques a notamment permis l'imagerie des réseaux épileptiques chez le rat. Dans un second temps, nous développons les problèmes posés par la préparation animale, particulière en IRMf de par le fait que le couplage neurovasculaire doit être préservé sous anesthésie afin de préserver les activations neuronales. Après comparaison avec les anesthésies à l'isoflurane et la kétamine, nous avons déduit que la médétomidine constituait un anesthésique de choix pour l'IRMf du rongeur, et précisons le protocole de préparation animale utilisé pour l'imagerie. De plus, les électrodes utilisées en stimulation intracérébrale induisent des artefacts importants en imagerie, et des électrodes constituées de matériaux amagnétiques sont nécessaires. Nous expliquons pourquoi nous avons choisi des électrodes en carbone, et présentons le protocole de fabrication utilisé. Nous avons ensuite validé ces développements méthodologiques par des expériences d'IRMf de challenges hypercapniques et de stimulation de la patte chez le rat. Puis nous avons conduit une étude IRMf approfondie des mécanismes d'action de la stimulation du nerf vague, en s'intéressant à la distinction entre activations neuronales et effets cardiovasculaires confondants par modélisation causale dynamique. Nous présentons aussi des résultats en IRMf de la stimulation électrique intracérébrale chez le rat. Plusieurs cibles ont été stimulées (noyau géniculé dorso-latéral, gyrus dentelé, striatum et thalamus), et des activations ont été obtenues à distance de l'électrode, conformément aux connaissances actuelles sur les connexions neuroanatomiques de ces noyaux. Ainsi, nous avons mis au point et validé l'IRMf du rat et son application à la stimulation électrique du système nerveux périphérique et central. / Functional magnetic resonance imaging (fMRI) can detect neuronal activations in the entire brain, in response to a stimulus, through the observation of subsequent hemodynamic changes. In particular, fMRI is a good tool for studying the mechanisms of deep brain stimulation and vagus nerve stimulation, which are still poorly understood. However, this technique is not readily usable in humans because of safety concerns towards the action of the strong magnetic fields used in MRI on implanted electrodes. Indeed, methodological developments in animals are needed. The main goal of this thesis is to study the mechanisms of central and peripheral nervous system stimulation in rats by fMRI. First, fast MRI sequences used in fMRI are exposed, such as multishot Echo-Planar Imaging, allowing to image the entire brain in a couple of seconds. Various imaging problems posed by these sequences, such as magnetic susceptibility artifacts, are also presented. These sequences, developed during this thesis, associated with electrophysiological measurements, allowed imaging of epileptic networks in the rat. Secondly, animal preparation is developped, as it is peculiar in fMRI : neuronal activations, as well as neurovascular coupling, must be preserved under anesthesia. Compared to anesthesia by isoflurane and ketamine, it was concluded that medetomidine was an anesthetic of choice for fMRI of the rodent, and the protocol used for animal preparation for imaging is specified. Furthermore, the electrodes used in deep brain stimulation induce significant artifacts in MRI images, and electrodes made of amagnetic materials are needed. Our choice of carbon electrodes is explained, and the manufacturing protocol used is exposed. These methodological developments were then validated in fMRI experiments of hypercapnic challenges and forepaw stimulation. Finally, an fMRI experiment studying mechanisms of action of vagus nerve stimulation was conducted, focusing on the distinction between neuronal activations and confounding cardiovascular effects by dynamic causal modeling. Also, results on fMRI of deep brain stimulation in rats are presented. Several targets were stimulated (dorsolateral geniculate nucleus, dentate gyrus, striatum and thalamus), and activations were obtained at a distance from the electrode. Results were in accordance with current knowledge on neuroanatomical connections of these nuclei. Thus, we developed and validated fMRI of the rat and its application to electrical stimulation of peripheral and central nervous system.

Résumé en français :<p>L’objectif de nos investigations a été d’étudier, chez le sujet humain, les mécanismes responsables de l'altération des performances motrices au cours du vieillissement. La première étude était destinée d’une part, à comparer la diminution maximale de force observée dans les différents régimes de contraction et, d’autre part, à contribuer à la compréhension des mécanismes à l’origine de la meilleure préservation de force pour le régime excentrique. Etant donné que jusqu’à présent, seuls des facteurs musculaires avaient été proposés afin d’expliquer les différences existant en fonction du régime de contraction, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à une éventuelle participation de facteurs nerveux. <p>Dans la seconde étude, nous avons testé de manière indirecte (via l’enregistrement d’activités réflexes) l’efficacité des afférences périphériques au cours du vieillissement. En effet, sous le contrôle de la commande centrale, celles-ci contribuent également à réguler le niveau d’excitabilité des motoneurones. Une moindre efficacité de celles-ci pourrait donc être un facteur supplémentaire responsable de l’altération de la fonction motrice. <p>Nous avons ensuite analysé (études III et IV) les propriétés contractiles et le comportement des unités motrices lors de contractions lentes et très rapides (contractions balistiques). Cela nous a permis de vérifier s’il existait chez les seniors une relation entre la diminution de force, de sa vitesse d’installation, et la stratégie d’activation des unités motrices.<p>Enfin, dans l’étude V, nous avons analysé la fatigabilité neuromusculaire chez les seniors, comparativement aux sujets jeunes. Plus spécifiquement, nous avons étudié les contractions concentriques et excentriques maximales fatigantes. La fatigue n’a en effet pas encore été étudiée lors de ces deux types de contraction chez les adultes jeunes et âgés. L’objectif de cette dernière étude était surtout d’analyser la part relative des mécanismes nerveux et musculaires à l’origine de la fatigue ainsi que leur décours dans le temps en fonction de l’âge des sujets.<p>L’approche méthodologique utilisée nous a permis d’analyser les modifications fonctionnelles du muscle et de ses unités motrices avec l’âge. Un intérêt tout particulier a été porté aux ajustements de la commande nerveuse et à la compréhension des mécanismes sous-jacents. L’ensemble de nos résultats expérimentaux documentent de manière originale l’interaction étroite entre les adaptations nerveuses et musculaires au cours du vieillissement. Plus largement, notre travail doctoral contribue à une meilleure connaissance de la remarquable plasticité du système neuromusculaire chez l’homme. <p>Résumé en anglais :\ / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Des cellules souches dérivées des crêtes neurales ont été trouvées dans divers tissus adultes comme le ganglion de la racine dorsale (GRD). Ce projet de thèse vise à identifier et caractériser la cellule souche de ce tissu. Premièrement, nous avons étudié le potentiel souche de l’ensemble des cellules du GRD. In vitro, certaines sont capables de proliférer pour former des sphères multipotentes qui génèrent des neurones, des glies et des myofibroblastes. In vivo, selon le contexte dans lequel les cellules issues des sphères sont transplantées, elles génèreront différent types cellulaires. Dans le funiculus dorsal démyélinisé de la souris Nude, elles se différencient en cellule de Schwann alors que dans un cerveau de souris nouveau-né Shiverer, elles produisent des péricytes qui s’intègrent aux capillaires sanguins. Bien que le GRD possède une population cellulaire au potentiel souche, son identité et son rôle restent à découvrir. Afin d’identifier cette cellule, nous avons combiné plusieurs techniques et souris transgéniques pour éliminer les diverses cellules candidates. Nous avons découvert plusieurs cellules avec une plasticité intéressante. Deux progéniteurs unipotents ayant la morphologie et la signature moléculaire de péricyte et de fibroblaste de l’endonèvre ont été trouvés dans le nerf sciatique et le GRD adulte. Enfin la cellule souche du GRD correspond de par sa morphologie à une cellule satellite (SGC). Elle prolifère et est bi-potente in vitro. Elle génère, in vivo, des SGC mais également des neurones en condition pathologique. Mieux comprendre ses mécanismes de régulations pourrait ouvrir la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les maladies du SNP. / Neural crest-derived stem cells have been identified in various adult tissues including the dorsal root ganglia (DRG). This thesis project aims to identify and characterize the putative adult DRG stem cell. First, we studied the stemness potential of global DRG cell populations. In vitro, within the adult DRG, some cells were able to form multipotent spheres that gave rise to neurons, glia and myofibroblasts. The graft of the DRG cell forming spheres proved their differentiation plasticity in vivo. Depending upon their graft environment; they generate different cell types. In the demyelinating dorsal funiculus of adult Nude mice, they formed myelinating Schwann cells while in the brain of new born Shiverer mice, they produced pericytes integrated within capillaries. Although, the DRG cells seemed to have an interesting stemness potential, their identity and their physiopathological role remain unknown. In order to characterize this stem cell and study its fate within the DRG, we combined several technics with transgenic mouse lines to exclude the diverse DRG candidate cells. We discovered different cells with interesting plasticity. Two types of unipotent progenitors that have the morphology and molecular characteristics of pericyte and endoneurial fibroblast in the adult sciatic nerve and DRG. But most of all, we found that the DRG stem cell has the phenotype of the satellite glial cell (SGC). They proliferate and are bipotente in vitro. In vivo these stem cells generate SGC under normal condition and produce glia more neurons when necessary in pathological condition. Understanding these regulation mechanisms could open the way to new therapeutic strategies for PNS diseases.

Contexte : Les difficultés de compréhension de la parole dans le bruit représente la principale plainte des personnes malentendantes. Cependant, peu d’études se sont intéressées aux mécanismes d’encodage des sons en environnement bruyant. Ce faisant, nos travaux ont portés sur les stratégies d’encodage des sons dans le nerf auditif dans environnements calme et bruyant en combinant des techniques électrophysiologiques et comportementales chez la gerbille.Matériel et méthodes : L’enregistrement unitaire de fibres du nerf auditif a été réalisé en réponse à des bouffées tonales présentées dans un environnement silencieux ou en présence d’une bruit de fond continu large bande. Les seuils audiométriques comportementaux ont été mesurés dans les mêmes conditions acoustiques, par une approche basée sur l’inhibition du reflex acoustique de sursaut.Résultats : Les données unitaires montrent que la cochlée utilise 2 stratégies d’encodage complémentaires. Pour des sons de basse fréquence (<3,6 kHz), la réponse en verrouillage de phase des fibres de l’apex assure un encodage fiable et robuste du seuil auditif. Pour des sons plus aigus (>3,6 kHz), la cochlée utilise une stratégie basée sur le taux de décharge ce qui requiert une plus grande diversité fonctionnelle de fibres dans la partie basale de la cochlée. Les seuils auditifs comportementaux obtenus dans les mêmes conditions de bruit se superposent parfaitement au seuil d’activation des fibres validant ainsi les résultats unitaires.Conclusion : Ce travail met en évidence le rôle capital de l’encodage en verrouillage de phase chez des espèces qui vocalisent au-dessous de 3 kHz, particulièrement en environnement bruyant. Par contre, l’encodage de fréquences plus aiguës repose sur le taux de décharge. Ce résultat met l’accent sur la difficulté d’extrapoler des résultats obtenus sur des modèles murins qui communique dans les hautes fréquences (> à 4 kHz) à l’homme dont le langage se situe entre 0,3 et 3 kHz. / Background: While hearing problems in noisy environments are the main complaints of hearing-impaired people, only few studies focused on cochlear encoding mechanisms in such environments. By combining electrophysiological experiments with behavioral ones, we studied the sound encoding strategies used by the cochlea in a noisy background.Material and methods: Single unit recordings of gerbil auditory nerve were performed in response to tone bursts, presented at characteristic frequencies, in a quiet environment and in the presence of a continuous broadband noise. The behavioral audiogram was measured in the same conditions, with a method based on the inhibition of the acoustic startle response.Results: Single unit data shows that the cochlea used 2 complementary strategies to encode sound. For low frequency sounds (<3.6 kHz), the phase-locked response from the apical fibers ensure a reliable and robust encoding of the auditory threshold. For high frequencies sounds, basal fibers use a strategy based on the discharge rate, which requires a larger heterogeneity of fibers at the base of the cochlea. The behavioral audiogram measured in the same noise condition overlaps perfectly with the fibers’ threshold. This result validates our predictions made from the single fiber recordings.Conclusion: This work highlights the major role of the phase locked neuronal response for animal species that vocalize below 3 kHz (as human), especially in noisy backgrounds. At the opposite, high frequency sound encoding is based on rate information. This result emphasizes the difficulty to transpose results from murine model which communicate in the high frequencies (> 4 kHz) to human whose language is between 0.3 and 3 kHz.

Le tractus gastro-intestinal, interface initiale pour la détection, la digestion et l'absorption des nutriments, joue un rôle critique dans la régulation de l'homéostasie énergétique. Les signaux qui proviennent du tractus gastro-intestinal sont nécessaires au contrôle de la fonction intestinale et de la régulation de la prise alimentaire. Les neurones afférents vagaux (NAV) sont une voie importante via laquelle les informations sur les nutriments ingérés atteignent le système nerveux central pour influencer ces deux fonctions. Les NAVs expriment les récepteurs pour la plupart des peptides régulateurs libérés par l'intestin impliqués dans la régulation de la prise alimentaire et du poids corporel. Cette thèse porte sur le rôle de deux peptides de l'intestin, la leptine et le glucagon-like peptide-1 (GLP-1), qui agissent au niveau des NAVs pour inhiber la prise alimentaire. Tout d'abord, nous expliquons le mécanisme d'action du GLP-1 sur les NAVs. La satiété induite par le GLP-1 nécessite un état post-prandial ; les données confirment que le statut nutritionnel régule la localisation du GLP-1R du cytoplasme vers la membrane des cellules neuronales. De plus, la ghréline et son récepteur GHSR1, exprimés par les NAVs, sont impliqués dans la régulation de la translocation du GLP-1R. Deuxièmement, ’utilisation de souris knockout pour le recepteur a la leptine sur les NAVs nous a permis de montrer l’importance de ce recepteur dans la physiopathologie de l’obésité et de l’hyperhagie. En effet, ces souris KO présentent un phénotype obésogène. L'obésité et ses conséquences sur la santé sont des problèmes majeurs de santé dans le monde entier. Les traitements efficaces de prévention ou de l'obésité sont limités. Nos résultats ont apporté des connaissances sur le mécanisme du GLP-1 et sur la signalisation de la leptine au niveau es NAVs. Comprendre la physiologie de la régulation de la prise alimentation est impératif dans le développement des traitements non-invasifs contre l’obésité. / As the initial interface for nutrient sensing, digestion and absorption, the gastrointestinal (GI) tract plays a critical role in the regulation of energy homeostasis. Information that arises from the GI tract is key to normal physiological responses controlling gut function and regulating food intake. Vagal afferent neurons (VAN) are a major pathway by which information about ingested nutrients reaches the central nervous system to influence GI function and food intake behavior. VAN express receptors for many of the regulatory peptides released from the gut that are involved in regulation of food intake and body weight. This dissertation addresses the role of two gut peptides, leptin and glucagon-like peptide-1, acting at the level of VAN, to inhibit food intake. First, the mechanism of action of glucagon-like peptide-1 (GLP-1) on VAN is addressed. GLP-1-induced satiation requires a postprandial state; the data support that feeding changes the localization of GLP-1Rs from the cytoplasm to the neuronal cell membrane. Further, ghrelin and its receptor GHSR1 expressed by VAN is involved in regulating GLP-1 receptor translocation. Second, the importance of leptin receptor expression by VAN in the development of hyperphagia and obesity was demonstrated by selective knockout of the leptin receptor (LepR) in VAN; mice express an obesogenic phenotype. Obesity and its resultant health consequences are a major worldwide health problem. Effective or preventative treatments for obesity are limited. Our findings have filled the gap in our knowledge of the mechanism of GLP-1 and leptin signaling on VAN. Understanding the physiology regulating feeding behavior is imperative in developing non-invasive anti-obesity treatments.