Bourse de maîtrise du Groupe de recherche sur le système nerveux central GRSNC, (2009,2010) Bourse d’études supérieures du Canada Frederick Banting et Charles Best, IRSC Instituts de recherche en santé du Canada, (2011) / EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase Eph, qui régulent l’adhérence et la motilité cellulaires. EphA7 est hautement conservé chez les vertébrés et largement exprimé durant l'embryogenèse, en particulier pendant le développement du SNC. Dans le cerveau adulte, EphA7 est transcrit principalement dans l'hippocampe, avec de faibles niveaux d'expression ailleurs. Nous avons cartographié sa distribution dans le cerveau du rat et de la souris adultes, par hybridation in situ et immunohistochimie en microscopie photonique et électronique. Les deux méthodes montrent une distribution de marquage très cohérente. Le signal le plus fort a été observé dans l’hippocampe, avec des niveaux moins élevés dans l’habénula, le striatum, l’amygdale, les cortex cingulaire, piriforme et entorhinal, ainsi que le cervelet. Au niveau ultrastructural, dans l’hippocampe, l’immunoréactivité d’EphA7 a été localisée dans le cytoplasme des cellules granulaires (gyrus dentelé) et pyramidales (CA1 et CA3) en ordre décroissant d’intensité. Dans le neuropile de CA1, des épines dendritiques et des prolongements astrocytaires, souvent périsynaptiques, ont été les éléments le plus fréquemment marqués. Plus rarement, nous avons aussi rencontré des dendrites et des terminaisons axonales immunopositives. La localisation préférentielle d’EphA7 dans les épines dendritiques et les prolongements astrocytaires périsynaptiques est conséquente avec un rôle de ce récepteur dans la plasticité synaptique / Abstract: EphA7 is a member of the family of Eph receptor tyrosine kinases, which regulate cell adhesion and motility. EphA7 is highly conserved in vertebrates and widely expressed during embryogenesis, especially during the development of the CNS. In the adult brain, EphA7 is transcribed mainly in the hippocampus, with low expression levels elsewhere. We have mapped its distribution in the adult brain of rat and mice by in situ hybridization and by immunohistochemistry in light and electron microscopy. Both methods show very consistent labelling distribution. The strongest signal was observed in the hippocampus, but modest levels were detected in the habenula, striatum, amygdala, the cingulate, piriform and entorhinal cortex, and the cerebellum. At the ultrastructural level, in the hippocampus, EphA7 immunoreactivity was localized in the cytoplasm of granule (dentate gyrus) and pyramidal cells (CA1 and CA3) in descending order of intensity. In the neuropil of CA1, dendritic spines and astrocytic processes, often perisynaptic were the most frequently labelled. More rarely, we also observed immunopositive dendrites and axon terminals. The preferential localization of EphA7 in dendritic spines and perisynaptic astrocytic processes is consistent with a role of this receptor in synaptic plasticity

Lors de cette étude, nous avons d’abord localisé les récepteurs CB1 et CB2 sur les structures neuronales. Nous avons montré que les récepteurs CB1 et CB2 sont présents sur les dendrites et les axones et les filopodes. Dans le même ordre d’idée, nous avons localisé le récepteur DCC sur les structures neuronales. Celui-ci est aussi présent sur les dendrites, les axones et les filopodes. Ces résultats suggèrent que le récepteur DCC serait impliqué non seulement dans le processus de synaptogenèse médié par le récepteur CB1, comme cela a été montré dans le laboratoire du professeur Bouchard, mais aussi dans celui, éventuellement, médié par le récepteur CB2. Nous avons ensuite évalué l’effet des ligands du récepteur CB2. Nous n’avons détecté aucun effet clair des agonistes inverses (AM630 et JTE907) et des agonistes (JWH015 et JWH133) quant à la médiation du processus de synaptogenèse en terme de variation de la densité des filopodes et des points de contacts synaptiques. Nous avons obtenu des résultats variables. Ceux-ci furent non reproductibles. Nous avons obtenu des résultats différents des résultats originaux lorsque nous avons requantifié visuellement les mêmes photos à deux reprises Nous avons développé une méthode informatisée de quantification qui nous a permis d’obtenir des résultats reproductibles. Cependant, nous n’avons toujours pas détecté d’effets sur la synaptogenèse médiés par le récepteur CB2. Ces résultats préliminaires ne nous permettent ni d’infirmer, ni de confirmer d’éventuels effets sur la synaptogenèse médiés par le récepteur CB2. Une étude exhaustive serait nécessaire pour le déterminer. / During this study we first localised the receptors CB1 and CB2 on neuronal structures. We have shown that those receptors expressed on dendrites and filopodia. Likewise and based on Bouchard’s previous laboratory results showing an implication of the netrin-1 receptor, Deleted in Colorectal Cancer (DCC), on the synaptogenesis process mediated by the receptor CB1 we localized the receptor DCC on neuronal structures. We have shown that the receptor DCC is expressed on dendrites, axons and filopodia. These results suggest an implication of the receptor DDC in a synaptogenesis process that would be mediated by the receptor CB2. We then evaluated the effects triggered by the receptor CB2’s ligands on the synaptogenesis process. We found no evidences of any effects on synaptogenesis mediated by the receptor CB2 inverse agonists (AM630 and JTE907) and agonists (JWH015 and JWH133) in term of filopodia density and synaptic contacts density variations. We witnessed highly variable results that were irreproducible. Visual quantifications of filopodia and synaptic contacts density were variable as we quantified two times the same set of photos. We have therefore developed a computer based quantification method by which we were able to obtained reproducible results. Nevertheless we found no evidence of any implication of the receptor CB2 on the synaptogenesis process. These preliminary results do not allow us neither to rule out nor to confirm eventual CB2 receptor effects on synaptogenesis. An exhaustive study is required to access possible CB2 receptors effect on synaptogenesis.

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée. / Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease, mainly manifested by tremor, rigidity, bradykinesia and postural instability, and often an asymmetry of symptom severity of the left and right sides of the body. The depletion of dopamine of the nigrostriatal pathway is the primary cause of the motor symptoms observed in patients with PD, leading to an imbalance in basal-ganglia prefrontal circuits. In the protocols described here, patients with PD before and after levodopa administration and healthy participants performed self-initiated (SI) and externally triggered (ET) movements with the left and right hand during functional magnetic resonance imaging (fMRI). In the chapters of this thesis, we argue and provide evidence for four main points. The first portion (chapter 2) provides a literature review on cortico-striatal and cortico-cerebellar circuit disruption in PD. Using neuroimaging techniques, changes in cerebral and cerebellar activity have been observed in patients with PD compared with healthy participants. Although increases in activity in the cerebellum have often been interpreted as compensatory mechanisms, we provide evidence that they are more likely to be related to pathophysiological changes of the disease, and the disruption of the cortico- cerebellar circuit. In general, we argue (1) is that activity in the cerebellum is linked to the pathophysiology of PD. In the second section (chapter 3) we discuss the effect of levodopa on the patterns of cortical hypo- and hyper-activity in PD, as well as the activity of the putamen in SI and ET movements. Many studies have shown cortical hypo-activity in relation to nigrostriatal dopamine depletion. In contrast, some cognitive studies have also identified increases in cortical activity in patients with PD as compared with healthy control participants. We have previously suggested that cortical hypo- and hyper-activations depend on striatal recruitment. In this thesis, we further show that hyper-activations in the prefrontal cortex are not reestablished with levodopa administration. We suggest (2) that they are rather associated with mesocortical dopamine circuit dysfunction, and perhaps linked with long- term dopaminergic medication administration. Furthermore, we show (3) that levodopa has a non-task specific effect on the motor cortico-striatal loop, but does not affect the cognitive cortico-striatal circuit. Finally (chapter 4), we show that the effect of levodopa on movements of the left and right hands is not symmetrical. Previous studies have shown that in about 50% of patients, one side of the body is more severely affected, and this asymmetry persists throughout the duration of the disease. Our results suggest (4) that levodopa may have stronger effects on the cerebral hemodynamic patterns related to the movements of the more affected hand than on those of the less affected hand.

Les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont pour prémisse générale l’idée que le signal BOLD peut être utilisé comme un succédané direct de l’activation neurale. Les études portant sur le vieillissement cognitif souvent comparent directement l’amplitude et l’étendue du signal BOLD entre des groupes de personnes jeunes et âgés. Ces études comportent donc un a priori additionnel selon lequel la relation entre l’activité neurale et la réponse hémodynamique à laquelle cette activité donne lieu restent inchangée par le vieillissement. Cependant, le signal BOLD provient d’une combinaison ambiguë de changements de métabolisme oxydatif, de flux et de volume sanguin. De plus, certaines études ont démontré que plusieurs des facteurs influençant les propriétés du signal BOLD subissent des changements lors du vieillissement. L’acquisition d’information physiologiquement spécifique comme le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif permettrait de mieux comprendre les changements qui sous-tendent le contraste BOLD, ainsi que les altérations physiologiques et cognitives propres au vieillissement. Le travail présenté ici démontre l’application de nouvelles techniques permettant de mesurer le métabolisme oxydatif au repos, ainsi que pendant l’exécution d’une tâche. Ces techniques représentent des extensions de méthodes d’IRMf calibrée existantes. La première méthode présentée est une généralisation des modèles existants pour l’estimation du métabolisme oxydatif évoqué par une tâche, permettant de prendre en compte tant des changements arbitraires en flux sanguin que des changements en concentrations sanguine d’O2. Des améliorations en terme de robustesse et de précisions sont démontrées dans la matière grise et le cortex visuel lorsque cette méthode est combinée à une manipulation respiratoire incluant une composante d’hypercapnie et d’hyperoxie. Le seconde technique présentée ici est une extension de la première et utilise une combinaison de manipulations respiratoires incluant l’hypercapnie, l’hyperoxie et l’administration simultanée des deux afin d’obtenir des valeurs expérimentales de la fraction d’extraction d’oxygène et du métabolisme oxydatif au repos. Dans la deuxième partie de cette thèse, les changements vasculaires et métaboliques liés à l’âge sont explorés dans un groupe de jeunes et aînés, grâce au cadre conceptuel de l’IRMf calibrée, combiné à une manipulation respiratoire d’hypercapnie et une tâche modifiée de Stroop. Des changements de flux sanguin au repos, de réactivité vasculaire au CO2 et de paramètre de calibration M ont été identifiés chez les aînés. Les biais affectant les mesures de signal BOLD obtenues chez les participants âgés découlant de ces changements physiologiques sont de plus discutés. Finalement, la relation entre ces changements cérébraux et la performance dans la tâche de Stroop, la santé vasculaire centrale et la condition cardiovasculaire est explorée. Les résultats présentés ici sont en accord avec l’hypothèse selon laquelle une meilleure condition cardiovasculaire est associée à une meilleure fonction vasculaire centrale, contribuant ainsi à l’amélioration de la santé vasculaire cérébrale et cognitive. / Functional MRI (fMRI) studies using the BOLD signal are done under the general assumption that the BOLD signal can be used as a direct index of neuronal activation. Studies of cognitive aging often compare BOLD signal amplitude and extent directly between younger and older groups, with the additional assumption that the relationship between neuronal activity and the hemodynamic response is unchanged across the lifespan. However, BOLD signal arises from an ambiguous mixture of changes in oxidative metabolism, blood flow and blood volume. Furthermore, previous studies have shown that several BOLD signal components may be changed during aging. More physiologically-specific information on blood flow and oxidative metabolism would allow a better understanding of these signal changes and of the physiological and cognitive changes seen with aging. The work presented here demonstrates techniques to estimate oxidative metabolism at rest and during performance of a task. These techniques are extensions of previous calibrated fMRI methods and the first method presented is based on a generalization of previous models to take into account both arbitrary changes in blood flow and blood O2 content. The improved robustness and accuracy of this method, when used with a combined hypercapnia and hyperoxia breathing manipulation, is demonstrated in visual cortex and grey matter. The second technique presented builds on the generalization of the model and uses a combination of breathing manipulations including hypercapnia, hyperoxia and both simultaneously, to obtain experimentally-determined values of resting oxygen extraction fraction and oxidative metabolism. In the second part of this thesis, age-related vascular and metabolic changes are explored in a group of younger and older adults using a calibrated fMRI framework with a hypercapnia breathing manipulation and a modified Stroop task. Changes in baseline blood flow, vascular reactivity to the CO2 challenge and calibration parameter M were identified in the older participants. Potential biases in BOLD signal measurements in older adults arising from these physiological changes are discussed. Finally, the relationship between these cerebral changes and performance on the modified Stroop task, central vascular health and cardiovascular fitness are explored. The results of this thesis support the hypothesis that greater cardiovascular fitness is associated with improvements in central vascular function, contributing in turn to improved brain vascular health and cognition.

Jusqu'à récemment, les patients souffrant d'épilepsie réfractaire aux traitements médicamenteux étaient destinés à un avenir incertain. Le recours à la chirurgie comme traitement alternatif offre l'espoir de mener un jour une vie normale. Pour déterminer si un patient peut bénéficier d’une intervention chirurgicale, une évaluation complète est cruciale. Les méthodes d’évaluation préchirurgicale ont connu des progrès importants au cours des dernières décennies avec le perfectionnement des techniques d’imagerie cérébrale. Parmi ces techniques, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR), aussi connue sous le nom d’imagerie optique, présente de nombreux avantages (coût, mobilité du participant, résolution spatiale et temporelle, etc.). L’objectif principal de cette étude est de développer un protocole d'évaluation préchirurgicale de la mémoire. Une tâche de mémoire verbale incluant l’encodage, le rappel immédiat et le rappel différé de listes de mots a été administrée à dix adultes sains lors d’un enregistrement en imagerie optique. Les résultats obtenus suggèrent l’activation bilatérale des aires préfrontales antérieures et dorsolatérales ainsi que des aires temporales antérieures et moyennes. Les aires préfrontales et temporales antérieures semblent modulées par les différents processus mnésiques et la position du rappel dans le temps. La première fois qu’une liste est rappelée, l’activité hémodynamique est plus élevée que lors des rappels subséquents, et ce, davantage dans l’hémisphère gauche que dans l’hémisphère droit. Cette étude constitue la première étape dans le processus de validation du protocole à des fins cliniques auprès de patients épileptiques. / Until recently, patients with epilepsy refractory to drug treatments were intended to an uncertain future. Surgery as an alternative treatment offers hope to, one day, lead a normal life. In order to determine if a patient may benefit from a surgical intervention, a complete evaluation is essential. With the advancements in brain imagery techniques over the last few decades, preoperative evaluation methods have seen important progress. Among these techniques, near infrared spectroscopy (NIRS), also known as optical imaging, presents numerous advantages (cost, participant mobility, spatial and temporal resolution, etc.). The purpose of this study is to develop a preoperative evaluation protocol for memory assessment. During a NIRS recording, a verbal memory task including encoding, immediate and delayed free-recall of a list of words was administered to ten healthy adults. The results obtained revealed bilateral activation of anterior and dorsolateral prefrontal areas as well as anterior and median temporal areas. Prefrontal and anterior temporal areas seemed to be regulated by different memory processes and the recall location in time. The first time that a list is recalled, increased hemodynamic activity is observed in comparison to subsequent recalls, with a greater activity in the left hemisphere than in the right hemisphere. This study constitutes the first step in the validation process of the protocol for clinical needs among epileptic patients.

Au cours des dernières années, un intérêt grandissant concernant les rôles physiologiques des endocannabinoïdes (eCBs) a été observé. Le système eCB est une cible attrayante pour la modulation du système immunitaire et de la douleur périphérique. Bien que le récepteur CB1 soit distribué dans le système nerveux, le récepteur CB2 est traditionnellement associé au système immunitaire. Ce dogme fait maintenant l’objet d’un débat depuis la découverte de l’expression du récepteur CB2 dans certains neurones. La rétine est un modèle important pour l’étude de processus neuronaux. La présence du récepteur CB1 y a été démontrée. Des études fonctionnelles rapportent que l’activation des récepteurs cannabinoïdes affecte le fonctionnement de plusieurs cellules rétiniennes. À ce jour, aucune étude ne s’est intéressée au rôle global des récepteurs CB1 et CB2 dans la rétine. Nous avons investigué les conséquences de l’élimination du récepteur CB1 (cnr1-/-) ou du récepteur CB2 (cnr2-/-) sur la fonction rétinienne mesurée par électrorétinographie. Nous avons également caractérisé la distribution du récepteur CB2 dans la rétine. Pour ce faire, nous avons comparé la spécificité de plusieurs anticorps dirigés contre le récepteur CB2. Seulement l’un des anticorps testés a montré une spécificité satisfaisante. Il a permis de détecter la présence du récepteur CB2 dans les cônes, les bâtonnets, les cellules horizontales, amacrines, bipolaires et ganglionnaires. Nos résultats d’électrorétinographie indiquent que seules les souris cnr2-/- présentent une amplitude accrue de l’onde a des ERG, en conditions scotopiques. En conditions photopiques, l’amplitude de l’onde b des souris cnr2-/- montre un schéma d’adaptation à la lumière différent des autres groupes. Aucun effet significatif n’a été observé chez les animaux cnr1-/-. Ces résultats permettent de conclure que les récepteurs CB1 et CB2 jouent des rôles différents dans le traitement visuel et que le récepteur CB2 semble être impliqué dans l’établissement des réponses rétiniennes. / Cannabinoid receptors (CB1R and CB2R) are among the most abundant G-protein coupled receptors in the central nervous system. The endocannabinoid system is an attractive target for immune system modulation and peripheral pain management. While CB1R is distributed in the nervous system, CB2R has traditionally been associated to the immune system. This dogma is currently a subject of debate since the discovery of CB2R expression in neurons. The retina is an interesting model for neuronal processes’ study. The activation of cannabinoid receptors modulates neurotransmitter release from photoreceptors and could also affect bipolar cell synaptic release. However, the impact of CB1r and CB2R on the retinal function as a whole is currently unknown. In the present study, we investigated the function of cannabinoid receptors in the retina by recording electroretinographic responses (ERG) from mice lacking either CB1 or CB2 receptors (cnr1-/- and cnr2-/-, respectively). We also documented the precise distribution of CB2R by comparing the specificity of library of CB2R antibodies. One of the antibodies tested exhibited a valuable specificity and localized CB2R expression in cones and rods photoreceptors, horizontal cells, some amacrine cells, and bipolar and ganglion cells. In scotopic conditions, the amplitudes of the awave of the ERG were increased in cnr2-/- mice, while they remained unchanged in cnr1-/- mice. Under photopic conditions, b-wave amplitudes of cnr2-/- mice required more light adaptation time to reach stable values. No effect was observed in cnr1-/- mice. These data indicate that CB2R is likely to be involved in shaping retinal responses to light and suggest that CB1 and CB2 receptors could have different roles in visual processing.

Au cours des dernières années, des méthodes non-invasives de stimulations permettant de moduler l’excitabilité des neurones suivant des lésions du système nerveux central ont été développées. Ces méthodes sont maintenant couramment utilisées pour étudier l’effet de l’inhibition du cortex contralésionnel sur la récupération motrice à la suite d’un accident vasculocérébral (AVC). Bien que plusieurs de ces études rapportent des résultats prometteurs, les paramètres permettant une récupération optimale demeurent encore inconnus. Chez les patients victimes d'un AVC, il est difficile de débuter les traitements rapidement et d'initier l’inhibition dans les heures suivant la lésion. L'impact de ce délai est toujours inconnu. De plus, aucune étude n’a jusqu’à maintenant évalué l’effet de la durée de l’inhibition sur la récupération du membre parétique. Dans le laboratoire du Dr Numa Dancause, nous avons utilisé un modèle bien établi de lésion ischémique chez le rat pour explorer ces questions. Nos objectifs étaient d’évaluer 1) si une inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures qui suivent la lésion peut favoriser la récupération et 2) l’effet de la durée de l’inactivation sur la récupération du membre parétique. Suite à une lésion dans le cortex moteur induite par injections d’un vasoconstricteur, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel à l’aide d’une pompe osmotique assurant l’infusion continue d’un agoniste du GABA (Muscimol). Dans différents groupes expérimentaux, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel pour une durée de 3, 7 et 14 jours suivant la lésion. Dans un autre groupe, le Muscimol a été infusé pour 14 jours mais à un débit moindre de façon à pouvoir étudier le lien entre la fonction du membre non-parétique et la récupération du membre parétique. Les données comportementales de ces groupes ont été comparées à celles d’animaux ayant récupéré de façon spontanée d'une lésion similaire. Nos résultats indiquent que l’augmentation de la durée de l’inactivation (de 3 à 14 jours) accélère la récupération du membre parétique. De plus, les deux groupes ayant reçu une inactivation d'une durée de 14 jours ont montré une plus grande récupération fonctionnelle que le groupe n’ayant pas reçu d’inactivation de l’hémisphère contralésionnel, le groupe contrôle. Nos résultats suggèrent donc que l’inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures suivant la lésion favorise la récupération du membre parétique. La durée d’inhibition la plus efficace (14 jours) dans notre modèle animal est beaucoup plus longues que celles utilisées jusqu’à maintenant chez l’homme. Bien qu’il soit difficile d’extrapoler la durée idéale à utiliser chez les patients à partir de nos données, nos résultats suggèrent que des traitements de plus longue durée pourraient être bénéfiques. Finalement, un message clair ressort de nos études sur la récupération fonctionnelle après un AVC: dans le développement de traitements basés sur l’inhibition de l’hémisphère contralésionnel, la durée de l’inactivation est un facteur clef à considérer. / With the introduction of non-invasive brain stimulation methods aimed at modulating the excitability of cortical areas after stroke, many groups are intensively investigating the effects of inhibition of the contralesional hemisphere on functional recovery. Although the reported results of these studies are very promising, limitations of enrolling acute stroke patients as well as technical difficult of establishing continuous inhibition protocols have left several open ended questions regarding the treatment parameters and patient selection. For example, the efficacy of inhibition treatment in acute setting after stroke and the effect of treatment duration are two questions that are virtually unexplored. Therefore, in the laboratory of Prof. Numa Dancause, we took advantage of a well established rodent model of cortical ischemic lesion to gain direct and objective insight about the importance of contralesional inactivation on motor recovery of the paretic limb. Using an Endothelin-1 rodent model of ischemic cortical lesion, we pharmacologically inactivated the contralesional hemisphere with a GABA agonist (Muscimol). By doing so we were interested in the effect of early treatment when contralesional inactivation is initiated rapidly after the lesion. Early after induction of cortical ischemic lesion, the contralesional hemisphere was inactivated with continuous infusion of the Muscimol for 3, 7 or 14 days in three different groups of animals. In a fourth group, Muscimol was infused at slower rate for 14 days to provide additional insights on the relation between the effects of inactivation on the non-paretic forelimb behavior and the recovery of the paretic forelimb. We included a group of animals with spontaneous recovery that received no inactivation after lesion. Our results indicated that increasing inactivation duration (from 3 to 14 days) accelerated the recovery of grasping function. Both groups with 14 days of inactivation had similar recovery profiles and performed better than animals that spontaneously recovered. In fact, the duration of inactivation, not the intensity, correlated with the better functional outcomes. Our results support early contralesional inactivation to improve recovery of the paretic forelimb after cortical lesion. Moreover, based on our results, the duration of inactivation is the most important factor to correlate with the functional outcomes. Therefore, by providing precise temporal and behavioral evidence, our results provide a window of opportunity for the researchers in which the current gap in our understanding of the clinical efficacy of contralesional inhibition in acute phase after stroke can be approached with more confidence.

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord. / Un objectif important en neurobiologie est de comprendre le développement et l'organisation des circuits neuronaux qui entrainent les comportements. Chez l'embryon, la première activité motrice est une lente contraction spontanée qui est entrainée par l'activité intrinsèque des circuits spinaux. Ensuite, les embryons deviennent sensibles aux stimulations sensorielles et ils peuvent éventuellement nager, comportements qui sont façonnées par l'intégration de l'activité intrinsèque et le rétrocontrôle sensoriel. Pour cette thèse, j'ai utilisé un modèle vertébré simple, le poisson zèbre, afin d'étudier en trois temps comment les réseaux spinaux se développent et contrôlent les comportements locomoteurs embryonnaires. Pour la première partie de cette thèse j'ai caractérisé la transition rapide de la moelle épinière d'un circuit entièrement électrique à un réseau hybride qui utilise à la fois des synapses chimiques et électriques. Nos expériences ont révélé un comportement embryonnaire transitoire qui précède la natation et qu'on appelle « double coiling ». J'ai démontré que les motoneurones spinaux présentaient une activité dépendante du glutamate corrélée avec le « double coiling » comme l'a fait une population d'interneurones glutamatergiques ipsilatéraux qui innervent les motoneurones à cet âge. Ce travail (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggère que le « double coiling » est une étape distincte dans la transition du réseau moteur à partir d'un circuit électrique très simple à un réseau spinal entrainé par la neurotransmission chimique pour générer des comportements plus complexes. Pour la seconde partie de ma thèse, j'ai étudié comment les réseaux spinaux filtrent l'information sensorielle de mouvements auto-générés. Chez l'embryon, les neurones sensoriels mécanosensibles sont activés par un léger toucher et ils excitent en aval des interneurones sensoriels pour produire une réponse de flexion. Par contre, les contractions spontanées ne déclenchent pas ce réflexe même si les neurones sensoriels sont toujours activés. J'ai démontré que les interneurones sensoriels reçoivent des entrées glycinergiques pendant les contractions spontanées fictives qui les empêchaient de générer des potentiels d'action. L'inhibition glycinergique de ces interneurones, mais pas des autres neurones spinaux, est due à l'expression d'un sous-type de récepteur glycinergique unique qui augmente iii le courant inhibiteur. Ce travail (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggère que la signalisation glycinergique chez les interneurones sensoriels agit comme un signal de décharge corolaire pour l'inhibition des réflexes pendant les mouvements auto- générés. Dans la dernière partie de ma thèse, je décris le travail commencé à la maîtrise et terminé au doctorat qui montre comment la plasticité homéostatique est exprimée in vivo aux synapses centrales à la suite des changements chroniques de l'activité du réseau. J'ai démontré que l'efficacité synaptique excitatrice de neurones moteurs spinaux est augmentée à la suite d’une diminution de l'activité du réseau, en accord avec des études in vitro précédentes. Par contre, au niveau du réseau j'ai démontré que la plasticité homéostatique n'était pas nécessaire pour maintenir la rythmicité des circuits spinaux qui entrainent les comportements embryonnaires. Cette étude (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) a révélé pour la première fois que l'organisation du circuit est moins plastique que l'efficacité synaptique au cours du développement chez l'embryon. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à notre compréhension des circuits neuronaux de la moelle épinière qui sous-tendent les comportements moteurs simples de l'embryon.

EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase, Eph, qui assume plusieurs rôles durant le développement du système nerveux central. Par ailleurs, il continue d’être fortement exprimé dans le cerveau adulte, notamment dans les régions reconnues pour leur grande plasticité synaptique, telles que l’hippocampe et le cervelet. Par hybridation in situ, nous avons cartographié la distribution de l’ARNm d’EphA7 dans le cerveau de rats et souris adultes. Les couches pyramidales du CA1 et CA3 et granulaire du gyrus dentelé de la formation de l’hippocampe ont montré le plus fort marquage. Un niveau d’ARNm d’EphA7 plus modéré a été observé dans l’habenula, le striatum, l’amygdale, le cervelet et le cortex cingulaire, piriforme et entorhinal. Quant à la protéine détectée par immunohistochimie, elle était fortement exprimée dans le neuropile de l’hippocampe et la couche des cellules de Purkinje du cervelet. En microscopie électronique, dans toutes les couches de l’hippocampe et du cervelet examinées, des épines dendritiques, des dendrites, des axones non-myélinisés, des terminaisons axonales et quelquefois des prolongements astrocytaires constituaient les éléments immunopositifs. Comme on pouvait déjà le voir en microscopie photonique, les corps cellulaires des cellules pyramidales et granulaires de l’hippocampe ainsi que des cellules de Purkinje du cervelet montraient aussi du marquage, surtout intracellulaire. L’analyse quantitative a révélé la localisation préférentielle d’EphA7 dans des dendrites et épines dendritiques. La majorité des épines marquées formaient des synapses asymétriques (excitatrices) avec des terminaisons axonales non marquées. La double localisation préférentielle d’EphA7 dans les dendrites ainsi que les densités post-synaptiques des épines dendritiques est compatible avec l’hypothèse d’un rôle d’EphA7 dans le maintien ou la fonction de certaines synapses du SNC adulte. / EphA7 is a member of the Eph receptor tyrosine kinase family. It plays multiple roles during central nervous system development. In adult brain, EphA7 is still strongly expressed in certain regions, notably regions known to undergo active synaptic plasticity, such as the hippocampus and cerebellum. To examine the regional and cellular localization of EphA7 in adult brain, we used in situ hybridization as well as immunohistochemistry for light and electron microscopy. By in situ hybridization, the strongest signal was in hippocampus, notably the main cell layers of CA1, CA3 and dentate gyrus, and in cerebellar cortical Purkinje cells. However, moderate mRNA levels were found in habenula, striatum, amygdala, cingular, piriform and entorhinal cortex and in the cerebellar cortex. After immunoperoxydase labeling, EphA7 appeared enriched in the neuropil layers of CA1, CA3 and DG as well as in Purkinje cell somata of the cerebellar cortex. In all examined layers of hippocampus and cerebellum, dendritic spines, dendrites, unmyelinated axons, axon terminals and some astrocytic leaflets were immunopositive for EphA7. Neuronal cell bodies of pyramidal, granular and Purkinje cells also showed some immunoreactivity, which was mainly intracellular. EphA7-labeled dendritic spines and dendrites represented the most frequently labeled components. The vast majority of labeled dendritic spines established asymmetric synapses with unlabeled axon terminals and thus displayed features of excitatory synapses. The dual preferential localization of EphA7 in dendrites and in the post-synaptic densities of dendritic spines provides morphologic evidence in support of the hypothesis that EphA7 plays a key role in adult CNS synaptic maintenance or function.

Durant le vieillissement, l’ensemble des fonctions de l’organisme se détériore, que ce soit aussi bien au niveau moteur que cognitif. Le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la force, ainsi que de la masse musculaire. Des études récentes tendent à montrer que cette perte de masse musculaire que l’on appelle sarcopénie aurait pour origine un dérèglement de la jonction neuromusculaire. Les changements au niveau du présynaptique et du post synaptiques lors du vieillissement normal font l’objet de plusieurs études, mais les changements relatifs aux cellules de Schwann périsynaptique sont très peu connus. Le but de cette étude est donc d’analyser les modifications des interactions neurone-glie à la jonction neuromusculaire. Dans cette étude, nous montrons que certaines fonctions des cellules gliales de la synapse âgée sont déréglées, en particulier, le type de récepteurs activés par une stimulation nerveuse à haute fréquence. D’autre part, nos résultats montrent que les mécanismes responsables de l’augmentation de la transmission synaptique suite à cette stimulation nerveuse à haute fréquence sont altérés à la synapse âgée. Enfin, outre les modifications de la terminaison axonale et de la fibre musculaire, les cellules gliales montrent des signes de réorganisation structurelle propre à une synapse en réparation. Ces résultats montrent que le fonctionnement de la jonction neuromusculaire et a fortiori les interactions neurones-glie sont altérées lors du vieillissement normal. / Aging comes with an alteration and organism functions including cognitive and motor functions. Major weakening of the neuromuscular system occurs which includes muscle weight loss, difficulties in initiating voluntary movement and reduced muscle strength. The possible role of the alteration of the neuromuscular junction has been examined but always only considering the pre- and postsynaptic elements. However, perisynaptic Schwann cells (PSCs), glial cells at the neuromuscular junction (NMJ), play fundamental roles in the regulation of the synaptic efficacy of the NMJ as well as in its maintenance and stability. Hence, we analysed NMJ properties and their glial cells in aging. This study shows that PSCs function at the old NMJ are dysregulated. Indeed, PSCs ability to detect synaptic transmission, determined using imaging of intracellular Ca2+, was maintained in PSCs at NMJs from old mice, but the contribution of the muscarinic component was greatly reduced. On the other hand, our results using synaptic recordings are showing that a number of synaptic plasticity events known to be regulated by PSCs are reduced at NMJs of old mice. Finally, morphological NMJ reorganisation and sprouting of PSCs were also observed. These data suggest that PSC properties are consistent with the repair of the NMJ that may also result in their reduced ability in regulating synaptic efficacy.