Tableau d'honneur de la FÉSP / La signalisation calcique dendritique joue un rôle important dans la régulation de mécanismes neuronaux, tels que la plasticité synaptique et l’intégration de l’information transmise. Bien compris chez les neurones principaux, ce processus de régulation est moins étudié chez les divers types d’interneurones GABAergiques qui modulent l’acquisition et l’envoi de signaux neuronaux. Chez les interneurones à décharge rapide, un type d’interneurone commun dans les circuits corticaux, il a été démontré qu’il y a absence de rétropropagation des potentiels d’action dans les dendrites distales (Hu et al., 2010). Cette découverte a des implications fonctionnelles, car la rétropropagation des potentiels d’action est un signal important pour l’induction des formes de plasticité synaptique hebbiennes. Par contre, il a été suggéré que l’activité dendritique locale pourrait compenser pour l’absence de rétropropagation des potentiels d’action. En conséquence, ce travail porte sur l’étude des évènements calciques dans les dendrites distales des interneurones à décharge rapide. Nous avons cherché à déterminer s’il est possible de générer ces signaux calciques par stimulation dendritique locale, à étudier les mécanismes responsables de ces signaux et à déterminer si ces signaux jouent un rôle dans la régulation de la plasticité synaptique à ces synapses. Pour atteindre ces objectifs, nous avons utilisé une combinaison de méthodes électrophysiologiqes (patch-clamp en mode cellule entière), d’imagerie calcique deux-photons et de modélisation computationnelle. Nous avons pu établir qu’il est possible de générer des évènements calciques postsynaptiques supralinéaires dans les synapses excitatrices étudiées par stimulation électrique locale. Ces signaux sont médiés par l’influx calcique provenant de l’activation des récepteurs AMPA perméables au Ca2+, qui déclenche à son tour le relâchement de Ca2+ par les récepteurs ryanodine présents sur réserves calciques intracellulaires. Ces signaux comprennent aussi une contribution calcique mineure des récepteurs NMDA, et ils restent locaux (pas de propagation dans l’arbre dendritique). De plus, nous avons déterminé que ces évènements calciques supralinéaires produisent un revirement de la plasticité synaptique, car ils induisent la dépression à long-terme dans les synapses étudiées, alors que les signaux calciques de basse amplitude induisent la potentiation à long-terme. Nous avons aussi examiné si ces évènements calciques supralinéaires étaient générés de façon équivalente dans les dendrites apicales et basales, qui reçoivent des synapses de différentes sources. Nous avons observé que les signaux des dendrites apicales avaient une plus grande amplitude et étaient associés à un plus haut niveau de dépolarisation. À partir de la modélisation, nous avons pu prédire le nombre de synapses nécessaires à la génération de ces signaux et la contribution potentielle des mécanismes d’extrusion du Ca2+. Finalement, nous avons étudié la spécificité cellulaire des mécanismes d’intégration dendritique en combinant l’imagerie calcique et la modélisation dans un type différent d’interneurone, les interneurones spécifiques aux interneurones type III. En conclusion, nous avons prouvé qu’il existe dans certains interneurones des mécanismes alternatifs, médiés par des hausses de Ca2+ locales, permettant la régulation de la plasticité aux synapses excitatrices. / Dendritic Ca2+ signaling plays an important role in the regulation of neuronal processes, such as synaptic plasticity and input integration. Well-studied in principal neurons, this form of regulation is not well understood in the various types of GABAergic interneurons that modulate activity in neuronal networks. In fastspiking (FS) interneurons, a common interneuron type in cortical circuits, it has been shown that there is a lack of action potential (AP) backpropagation in distal dendrites (Hu et al., 2010). This discovery has functional implications, AP backpropagation is an important signal for the induction of Hebbian forms of synaptic plasticity. However, it has been suggested that local dendritic activity could compensate for the absence of AP backpropagation. Consequently, this work focuses on the study of Ca2+ transients in distal dendrites of FS interneurons. We sought to determine whether it is possible to generate supralinear Ca2+ transients through local dendritic stimulation, to study the mechanisms responsible for those transients and to determine whether those signals play a role in the regulation of synaptic plasticity at those synapses. To reach those objectives, we used a combination of electrophysiological methods (whole-cell patch-clamp recordings), two-photon Ca2+ imaging and of computational modeling. We were able to establish that supralinear postsynaptic Ca2+ transients can be generated through local electrical stimulation of excitatory synapses in distal dendrites. These Ca2+ transients were mediated by Ca2+ influx from the activation of Ca2+-permeable AMPA receptors, which triggers Ca2+ release through ryanodine receptors present on intracellular Ca2+ stores (Ca2+-induced Ca2+ release). These Ca2+ signals also contain a minor contribution from NMDA receptors, and stay localized (no significant propagation in the dendritic arbor). In addition, we determined that these supralinear Ca2+ signals constitute a switch in the expression of synaptic plasticity, as they induce long-term depression in local synapses, while low-amplitude Ca2+ signals induced synaptic long-term potentiation. We also examined whether these supralinear Ca2+ transients were generated in both apical and basal dendrites, which receive synaptic contacts from different sources (Schaffer collaterals vs local collaterals). We observed that Ca2+ transients in apical dendrites had a higher amplitude and were associated with a higher level of somatic depolarization. We were also able to predict, through computational modeling, the number of synapses necessary to the generation of those signals and the potential contribution of Ca2+ extrusion mechanisms. Finally, we studied the cell-specificity of dendritic integration mechanisms by combining Ca2+ imaging and modeling in a different interneuron type, interneuron-specific interneurons type III. In conclusion, we were able to prove that certain interneurons possess alternative mechanisms, mediated through local Ca2+ transients, that allow for the regulation of plasticity at excitatory synapses.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung kurzfaserverstärkter Kunststoffe und der draus folgenden Berechnung effektiver Compositeeigenschaften. Die grundlegen-de Idee für alle Untersuchungen in dieser Arbeit ist, dass eine gesteigerte Information auf Mikrostrukturebene zu einer besseren Vorhersage der effektiven Compositeeigenschaften führt. Welche Informationen und wie sie genutzt und verarbeitet werden, wird in dieser Arbeit eingehend analysiert und bewertet. Insbesondere steht dabei die Information über die Faserorientierung im Vordergrund der durchgeführten Untersuchungen. Darüber hinaus werden weitere Informationen über die Mikrostruktur hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die effektiven Compositeeigenschaften untersucht. Hierzu werden zahlreiche mögliche Mikrostrukturen als Repräsentative Volumen Elemente mit veränderlichen Modellierungsparametern mit der Finite-Elemente Methode analysiert. Weiter wird in dieser Arbeit ein neuronales Netz auf Basis einer Datengrundlage von RVEs erarbeitet und vorgestellt. Hierzu werden RVEs mit zufällig gewählten Inputparametern erstellt und ausgewertet. Die RVEs unterscheiden sich dabei durch ihre Faserorientierung, Faser-länge, Faservolumenanteil und durch die verwendeten Eigenschaften der Matrix. Es wird eindeutig gezeigt, dass das neuronale Netz im Mittel die Ergebnisse der RVEs besser approximieren kann als eine zweistufige Homogenisierung auf Basis der Methode von Mori-Tanaka. Der Zielkonflikt zwischen genauerer Modellierung und schnellerer Berechnungen auf der Bauteilebene kann mit dem vorgestellten Vorgehen deutlich entschärft werden.

In vielen Anwendungsgebieten der Lasermesstechnik kann eine adaptive örtliche und zeitliche Lichtfeldformung völlig neue Perspektiven eröffnen. In der Optogenetik sind beispielsweise sowohl schnell in drei Dimensionen adressierbare Einzelpunkte mit einem maximalen Durchmesser von 10 μm für die Stimulation einzelner Zellen als auch komplexe Muster für die Aktivierung oder Inhibierung ganzer Zellgruppen notwendig, um fortgeschrittene Analysen neuronaler Netzwerke durchzuführen. Computergenerierte Hologramme (CGH) sind durch die vielseitigen Möglichkeiten der Amplituden- und Phasenmodulation für die Mustererzeugung am besten geeignet. Zur Darstellung von CGH weit verbreitete Flüssigkristall-Flächenlichtmodulatoren besitzen oft eine Megapixelauflösung aber eine Bildrate von nur wenigen Hertz. Durch Innovationen im Consumer-Bereich stehen mit mikroelektromechanischen Scannerspiegeln und ferroelektrischen binären Phasenmodulatoren neuartige Bauelemente zur Verfügung, die gleichzeitig hohe Orts- und Zeitauflösung vereinen. Aufbauend auf solchen Geräten mit 250 Hz bzw. 1,7 kHz Bildrate wurden in dieser Arbeit computergestützte adaptive optische Systeme für den Bereich des lasergenerierten Ultraschalls sowie für die Optogenetik entwickelt und angewendet. Anhand von Computersimulationen wurden Methoden zur schnellen Erzeugung binärer Phasenhologramme verglichen. Für Fresnelhologramme führt eine Fehlerdiffusionsmethode zu rekonstruierten Bildern ähnlicher der gewünschten Intensitätsverteilung und ist dabei mehr als 10× schneller als die zweitbeste Methode, welche auf dem Gerchberg-Saxton-Algorithmus beruht. Im Bereich des lasergenerierten Ultraschalls konnten durch einen mikroelektromechanischen Senkspiegel-Modulator ringförmige Beleuchtungsmuster unterschiedlichen Durchmessers generiert werden, die eine Fokussierung von Scherwellen in verschiedenen Tiefen in einem Aluminiumwerkstück bewirkten. So können potenziell Materialeigenschaften kontaktfrei mit hoher Bandbreite erfasst werden. Für die optogenetische Netzwerkanalyse wurden zwei Systeme zur zellulären und subzellulären dreidimensionalen Stimulation und Inhibierung entwickelt. Durch ein iteratives Korrekturverfahren mit Zernike-Polynomen konnte durch die Korrektur systeminhärenter Aberrationen eine nahezu beugungsbegrenzte laterale Ortsauflösung erreicht werden. Abschließend wurde die zeitliche Entwicklung der Konnektivität neuronaler Netze mit diesen Systemen beobachtet. Durch die gezielte Einzelzellstimulation konnten dabei allein mit elektrischer Stimulation nicht sichtbare Effekte wie distanzabhängige Signalgeschwindigkeiten und Verknüpfungen zwischen nicht anhand elektrischer Signale erfassbaren Neuronen beobachtet werden. Dies eröffnet neue Wege z.B. für pharmakologische Untersuchungen und die Analyse neurodegenerativer Krankheiten.:Abkürzungsverzeichnis V Symbolverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV 1 Motivation/Einleitung 1 2 Grundlagen der Strahlformung 5 2.1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 5 2.1.1 Von den Maxwellgleichungen zur Helmholtzgleichung 5 2.1.2 Die Winkelspektrumsmethode zur Beschreibung der Lichtausbreitung 6 2.1.3 Phasen-Beschreibung einer Linse 8 2.1.4 Zernike-Polynome 10 2.2 Computergenerierte Hologramme 10 2.2.1 Direkte Berechnung 11 2.2.2 Fourier- und Fresnelhologramme 12 2.2.3 Simulated Annealing 16 2.2.4 Phase retrieval mittels Gerchberg-Saxton-Algorithmus 19 3 Binäre Phasenhologramme 21 3.1 Gerchberg-Saxton 23 3.2 Thresholding 23 3.3 Error Diffusion 24 3.4 Methodenvergleich - Fresnelhologramme 28 3.5 Methodenvergleich - Fourierhologramme 31 3.6 Zusammenfassung 33 4 Anwendung I: Laserultraschall 35 4.1 Einleitung 35 4.2 Problemstellung 35 4.3 Strahlformung beliebiger Wellenfronten mit Phase Retrieval 37 4.4 Versuchsaufbau 40 4.5 Durchgeführte Messungen 42 4.6 Zusammenfassung 45 5 Anwendung II: Optogenetik 47 5.1 Problemstellung und Stand der Technik 47 5.2 Versuchsaufbau für Fresnelhologramme 53 5.2.1 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fresnelhologrammen 53 5.2.2 Ferroelektrischer binärer räumlicher Phasenmodulator 54 5.2.3 Berechnung computergenerierter Fresnelhologramme 56 5.2.4 Verwendete Zellkultur 57 5.2.5 Minimale Ortsauflösung 58 5.2.6 Framerate des Modulators 60 5.2.7 Erzeugung mehrerer Fokusse 61 5.2.8 Beispielhafte Einzelzellstimulation 63 5.3 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fourierhologrammen 65 5.3.1 Experimenteller Aufbau 66 5.3.2 Abschätzung der Ortsauflösung 68 5.3.3 Erzeugung von Lichtmustern und Aberrationskorrektur 69 5.3.4 Erzeugung mehrerer Fokusse 72 5.3.5 Testmessungen mit Fluoreszenzpartikeln in 2d/3d 73 5.3.6 Zusammenfassung 77 5.4 Untersuchung der Konnektivität neuronaler Netze 78 5.4.1 Zellkultur 80 5.4.2 Lokalisierung einzelner Neuronen 80 5.4.3 Experimentelles Vorgehen 81 5.4.4 Ergänzungen zum holographischen Stimulationsaufbau 83 5.4.5 Spike-Sorting 84 5.4.6 Vergleich von Aktivitätsprofilen von Weitfeld- und holographischer Stimulation 85 5.4.7 Peri-Event-Raster und -Zeithistogramme 86 5.4.8 Post-Stimulus-Zeit-Histogramm (PSTH) der holographischen Stimulation 86 5.4.9 Entfernungsabhängige Reaktionen der Neuronen auf holographische Stimulation 86 5.4.10 Funktionellen Konnektivität der Spontanaktivität (Baseline) 87 5.4.11 Kartierung funktioneller Konnektivität durch Einzelzellstimulation 88 5.4.12 Holographische Einzelzellstimulation 90 5.4.13 Zeitliche Dynamik der Konnektivität 95 5.4.14 Diskussion 99 5.4.15 Zusammenfassung 101 6 Zusammenfassung 103 Literaturverzeichnis 107 / In many application areas of laser measurement technology, adaptive local and temporal light field shaping can open up completely new perspectives. In optogenetics, for example, single foci with a maximum diameter of 10 μm, addressable in three dimensions, as well as complex light patterns are necessary for the the activation or inhibition of single cells or whole cell groups, respectively, to perform in-depth analyses of neuronal networks. Computer-generated holograms (CGH) are best suited for this purpose due to their versatile possibilities of amplitude and phase modulation. To display these, fast spatial light modulators (SLM) with a large number of pixels are required. Widely used liquid crystal SLMs, however, often have a megapixel resolution but a frame rate of only a few Hertz. Due to innovations in the consumer sector, microelectromechanical scanner mirrors and ferroelectric binary phase modulators are available, which offer high spatial and temporal resolution at the same time. Building on such devices with 250 Hz and 1.7 kHz frame rate, respectively, this work presents the development and application of computer-aided adaptive optical systems for laser-generated ultrasound and optogenetics. Based on computer simulations, methods for the fast generation of binary phase holograms were compared. For Fresnel holograms, an error diffusion method led to reconstructed images with highest similarity to the desired intensity distributions and was more than 10× faster than the second best method, which was based on the Gerchberg-Saxton algorithm. In the field of laser-generated ultrasound, a microelectromechanical modulator was used to generate ring-shaped illumination patterns of different diameters, which allow a focussing of shear waves in varying depths in an aluminium workpiece. This way, material properties can potentially be detected without contact and with a high bandwidth. For optogenetic network analysis, two systems for cellular and subcellular three-dimensional stimulation and inhibition were developed. Using ferroelectric liquid crystal modulators, frame rates up to the kilohertz range can be achieved. An iterative correction procedure with Zernike polynomials was able to correct system-inherent aberrations to achieve almost diffraction-limited lateral spatial resolution. Applying these systems, the temporal evolution of neural network connectivity was observed. Through targeted single-cell stimulation, effects not visible with electrical stimulation alone, such as distance-dependent signal velocities and connections between neurons undetectable by electrical recording, were observed. This opens up new ways for pharmacological investigations and the analysis of neurodegenerative diseases.:Abkürzungsverzeichnis V Symbolverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV 1 Motivation/Einleitung 1 2 Grundlagen der Strahlformung 5 2.1 Physikalisch-mathematische Grundlagen 5 2.1.1 Von den Maxwellgleichungen zur Helmholtzgleichung 5 2.1.2 Die Winkelspektrumsmethode zur Beschreibung der Lichtausbreitung 6 2.1.3 Phasen-Beschreibung einer Linse 8 2.1.4 Zernike-Polynome 10 2.2 Computergenerierte Hologramme 10 2.2.1 Direkte Berechnung 11 2.2.2 Fourier- und Fresnelhologramme 12 2.2.3 Simulated Annealing 16 2.2.4 Phase retrieval mittels Gerchberg-Saxton-Algorithmus 19 3 Binäre Phasenhologramme 21 3.1 Gerchberg-Saxton 23 3.2 Thresholding 23 3.3 Error Diffusion 24 3.4 Methodenvergleich - Fresnelhologramme 28 3.5 Methodenvergleich - Fourierhologramme 31 3.6 Zusammenfassung 33 4 Anwendung I: Laserultraschall 35 4.1 Einleitung 35 4.2 Problemstellung 35 4.3 Strahlformung beliebiger Wellenfronten mit Phase Retrieval 37 4.4 Versuchsaufbau 40 4.5 Durchgeführte Messungen 42 4.6 Zusammenfassung 45 5 Anwendung II: Optogenetik 47 5.1 Problemstellung und Stand der Technik 47 5.2 Versuchsaufbau für Fresnelhologramme 53 5.2.1 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fresnelhologrammen 53 5.2.2 Ferroelektrischer binärer räumlicher Phasenmodulator 54 5.2.3 Berechnung computergenerierter Fresnelhologramme 56 5.2.4 Verwendete Zellkultur 57 5.2.5 Minimale Ortsauflösung 58 5.2.6 Framerate des Modulators 60 5.2.7 Erzeugung mehrerer Fokusse 61 5.2.8 Beispielhafte Einzelzellstimulation 63 5.3 Versuchsaufbau für die Verwendung von Fourierhologrammen 65 5.3.1 Experimenteller Aufbau 66 5.3.2 Abschätzung der Ortsauflösung 68 5.3.3 Erzeugung von Lichtmustern und Aberrationskorrektur 69 5.3.4 Erzeugung mehrerer Fokusse 72 5.3.5 Testmessungen mit Fluoreszenzpartikeln in 2d/3d 73 5.3.6 Zusammenfassung 77 5.4 Untersuchung der Konnektivität neuronaler Netze 78 5.4.1 Zellkultur 80 5.4.2 Lokalisierung einzelner Neuronen 80 5.4.3 Experimentelles Vorgehen 81 5.4.4 Ergänzungen zum holographischen Stimulationsaufbau 83 5.4.5 Spike-Sorting 84 5.4.6 Vergleich von Aktivitätsprofilen von Weitfeld- und holographischer Stimulation 85 5.4.7 Peri-Event-Raster und -Zeithistogramme 86 5.4.8 Post-Stimulus-Zeit-Histogramm (PSTH) der holographischen Stimulation 86 5.4.9 Entfernungsabhängige Reaktionen der Neuronen auf holographische Stimulation 86 5.4.10 Funktionellen Konnektivität der Spontanaktivität (Baseline) 87 5.4.11 Kartierung funktioneller Konnektivität durch Einzelzellstimulation 88 5.4.12 Holographische Einzelzellstimulation 90 5.4.13 Zeitliche Dynamik der Konnektivität 95 5.4.14 Diskussion 99 5.4.15 Zusammenfassung 101 6 Zusammenfassung 103 Literaturverzeichnis 107

Der rasante Wandel hin zur Elektromobilität verlangt nach immer kürzeren und effizienteren Entwicklungszyklen. Vielfach steht dabei der elektrische Energiespeicher mit seinen für das Antriebsverhalten relevanten Eigenschaften, wie dem Energieinhalt oder der Leistungsverfügbarkeit, im Fokus. Für die Automobilhersteller sind daher Batteriesimulationen - basierend auf Modellen des elektrischen Batterieverhaltens - ein wesentliches Werkzeug, um schnell und kostengünstig neue Antriebe zu entwickeln. Das dynamische Übertragungsverhalten von Lithium-Ionen Zellen wird im industriellen Kontext typischerweise über phänomenologische Modelle nachgebildet, die vorrangig auf Zellmessungen basieren. Die inhärenten Fehler der Zellmodelle werden bei einer Simulation des gesamten Batteriesystems noch durch unmodellierte Effekte wie die Kontaktierung der Zellen oder inhomogene Temperaturverteilungen ergänzt. Überraschenderweise werden gleichwohl die heute umfangreich erzeugten Batteriedaten kaum genutzt, um die Qualität dieser Simulationen zu erhöhen. Vor allem die herausfordernde Verarbeitung großer und heterogener Datenmengen aus dem regulären Betrieb einer Antriebsbatterie verhindert nach wie vor eine konsequente Nutzung. Daher lautet das Ziel dieser Arbeit, mit neuartigen datenbasierten Ansätzen die Simulationen von Antriebsbatterien noch realitätsnäher zu gestalten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass bestehende phänomenologische Modelle mit datenbasierten Modellen kombiniert werden. Es entstehen hybride Modelle, die die Vorteile aus beiden Welten der Modellierung, wie eine hohe Genauigkeit, Stabilität und Extrapolationsfähigkeit, vereinen. Im ersten Schritt wird daher das phänomenologische Modell in Bezug auf vorhandene Fahrzeugmessungen der Batterie bewertet und im Anschluss verschiedene Hybridstrukturen miteinander verglichen. Die Parallel-Hybridstruktur kompensiert dabei den bestehenden Simulationsfehler am erfolgreichsten. Um gleichzeitig auch eine hohe Robustheit des hybriden Modells zu gewährleisten, erfolgt eine situative Begrenzung des datenbasierten Modells. Hierfür wird die Extrapolation des Modells über eine One-Class Support Vector Machine erkannt. Insbesondere in den Randbereichen der Validierungsdaten lässt sich dadurch der Fehler des hybriden Batteriemodells um weitere 15% reduzieren. Ein Fokus während der Ermittlung des hybriden Batteriemodells liegt auf der Erzeugung einer raumfüllenden Untermenge der verfügbaren Daten. Es wird aufgezeigt, dass sich hierdurch der Trainingsaufwand und die Genauigkeit des datenbasierten Modells weiter optimieren lassen. Zuletzt wird in dieser Arbeit auch ein Vergleich zwischen zwei dynamischen neuronalen Netzen als datenbasiertes Modell durchgeführt. Beide Varianten reduzieren den bestehenden Modellfehler deutlich - um bis zu 46 %. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Modellausgabe überzeugt jedoch vor allem das Gated-Recurrent-Unit. Die Qualität der Batteriesimulation wird anhand von zwei Anwendungsszenarien am Antriebsprüfstandbewertet. Dabei geht es zum einen um die Dauerlauferprobung und zum anderen um die Reichweitenbestimmung von elektrischen Antrieben. Der direkte Vergleich mit einer realen Antriebsbatterie erbringt den Nachweis, dass in beiden Anwendungsszenarien die Batteriespannung und selbst das Verhalten der elektrischen Antriebsachse wesentlich realistischer nachgestellt werden als mit dem bestehenden phänomenologischen Batteriemodell.

La stimulation corticomotoneuronale pairée (PCMS) combine stimulation magnétique transcrânienne (TMS) du cortex moteur primaire (M1) et stimulation électrique périphérique (ePCMS). L'intervalle synchronisant l'arrivée des potentiels d'action pré- et post-synaptique au niveau de la synapse corticomotoneuronale vise l'induction d'une plasticité spinale de type potentialisation long terme. Le pairage avec la stimulation périphérique magnétique (mPCMS) pourrait être plus efficace pour augmenter l'excitabilité corticospinale vu la correspondance d'activation des motoneurones avec la TMS et les afférences purement proprioceptives. La mPCMS a été comparée avec la ePCMS pour tester les effets induits (mesurés par l'amplitude des potentiels évoqués moteurs (MEP)) appliqués au membre inférieur durant une activation volontaire. L'influence des variants du gène BDNF (brain-derived neurotrophic factor) sur la réponse aux PCMS a également été observée. Seize adultes en santé ont participé à deux expérimentations pairant la TMS de M1 du tibial antérieur (TA) avec la stimulation du nerf fibulaire commun (aux intensités sous le seuil de la douleur) à l'intervalle inter-stimuli personnalisé, pendant une légère contraction isométrique du TA. En somme, la majorité des participants ont eu une augmentation significative de l'amplitude des MEP. La grandeur de la taille effet était différente entre les protocoles et dans le temps soit: un changement plus marqué direction après l'intervention ePCMS (taille d'effet moyen) et 30 minutes après l'intervention mPCMS (effet très large). Les variables secondaires n'ont pas été influencées, supportant l'origine prémotoneuronale de l'augmentation d'excitabilité corticospinale. Une distribution différente des génotypes du BDNF a été notée: les répondants en ePCMS étaient davantage porteurs du génotype Val66Val et ceux en mPCMS étaient plus des porteurs de l'allèle Met. Il s'agit de la première étude testant les mPCMS et appliquant les ePCMS en activité au membre inférieur et nos conclusions supportent leur efficacité et pertinence. Davantage d'études au design expérimental sont nécessaires pour reproduire nos résultats et explorer le potentiel des mPCMS. / Paired corticomotoneuronal stimulations (PCMS) is of great interest as a novel neurostimulation paradigm to explore the potential plasticity of the spinal cord. The methods consist in the synchronization of presynaptic (from transcranial magnetic stimulation (TMS) at the primary motor cortex) and postsynaptic (from peripheral stimulation of the nerve) volleys at the corticomotoneuronal synapse to induce STDP-like (spike-timing-dependant-plasticity) after-effects. The body of PCMS literature has investigated its application at the upper limb with only few at the lower limb. The peripheral nerve stimulation is usually electrical (ePCMS) and pairing TMS with magnetic stimulation of the nerve (mPCMS) has never been tested. This new paradigm would have interesting advantages compared to ePCMS: recruits first alpha-motoneurons of small diameters (correspondence with activated motoneuron by TMS) and generates almost pure proprioceptive afferences. After-effects on corticospinal excitability (measured by motor evoked potential (MEP) amplitude) were compared between the two PCMS protocols (ePCMS vs. mPCMS) at the tibial anterior (TA: ankle dorsiflexor) in active state for healthy participants. Our findings have shown that both ePCMS and mPCMS are effective to strengthen corticospinal projections in painless intensities at the TA in active state for a majority of healthy participants. For the first time studied, mPCMS has shown promising results for inducing LTP-like effects as its magnitude of effect was considered very large (for responders in Post30) compared to medium-sized effect for ePCMS (in Post0). The factor BDNF genotypes was also observed in our study, revealing different distribution between the two protocols: Val66Vall genotype was predominant in ePCMS responders, while Met allele carriers were more represent in mPCMS responders. Our results support the premotoneuronal origin of MEP increase for the TA preactivated with comfortable TMS intensities. Larger sampled experimentally designed studies are needed to reproduce our findings, to optimized mPCMS parameters and better understand its underlying mechanisms.

Les études GWAS associent les variantes du gène Fxr1 à la schizophrénie, les maladies bipolaires, l’insomnie et la durée du sommeil. Gsk3β peut directement phosphoryler et ainsi réguler négativement Fxr1. De plus, les interactions fonctionnelles entre Gsk3β et Fxr1 sont associées avec la stabilité émotionnelle chez les humains. Comment Gsk3β-Fxr1 régule l’activité neuronale, la plasticité et le comportement reste inconnu. Gsk3β peut être activé en aval des récepteurs D2 de dopamine. L’activité de Gsk3β peut être modulée par les stabilisateurs d’humeur, les antipsychotiques et les antidépresseurs en régulant des comportements. Néanmoins, les corrélations neuroanatomiques de Gsk3β en aval des récepteurs D2 restent inexplorées. Nous avons étudié, en premier lieu, les relations de Gsk3β-Fxr1 avec l’activité neuronale et les comportements. Nous avons découvert que Fxr1 et son régulateur négatif Gsk3β affectent les comportements liés à l’anxiété ainsi que la neurotransmission glutamatergique via la régulation des récepteurs AMPA synaptiques. Deuxièmement, nous avons exploré l’Implication de Gsk3β-Fxr1 dans la plasticité synaptique et le sommeil. Nous avons constaté que Fxr1 est le régulateur central («maître») de la mise à l’échelle synaptique homéostatique. D’ailleurs, il est aussi engage dans l’homéostasie du sommeil et module la force synaptique en régulant les transcripts impliqués dans la synthèse locale des protéines et la structure synaptique. Troisièmement, dans le but de comprendre les corrélations neuroanatomiques nous avons généré une carte des neurones exprimant des récepteurs D2 de tout le cortex et leurs projections. En quatrième lieu, nous avons visé d’investiguer les fonctions de Gsk3β en aval des récepteurs D2 dépendamment de leur emplacement anatomique. L’invalidation (knockout) intersectoriel de Gsk3β dans les neurones D2 du cortex préfrontal murin par CRISPR/Cas9 nous a permis de révéler sa contribution dans la régulation des comportements cognitifs, sociaux et de ceux associés à l’humeur. En résumé, cette thèse de doctorat élucide les fonctions de Fxr1 dans le cerveau tout en démontrant l’utilité du CRISPR/Cas9 dans le ciblage génétique ayant pour but d’explorer les fonctions des gènes spécifiquement dans un circuit donné. / Variants in Fxr1 gene are GWAS-associated to schizophrenia, bipolar disorders, insomnia, and sleep duration. Gsk3β can directly phosphorylate and negatively regulate Fxr1. Moreover, functional interaction between Gsk3β and Fxr1 is associated with emotional stability in humans. How Gsk3β-Fxr1 regulates neuronal activity, plasticity and behaviors remains unclear. Gsk3β can be activated downstream of dopamine D2 receptors. Gsk3β activity can be modulated by mood stabilizers, antipsychotics and antidepressants to regulate behaviors. Nevertheless, neuroanatomical correlates of Gsk3β functions downstream of D2 receptors remain elusive. First, we investigated the relationship of Gsk3β-Fxr1 to neuronal activity and behaviors. We discovered that Fxr1 and its negative regulator Gsk3β affect anxiety-related behaviors and glutamatergic neurotransmission via regulation of synaptic AMPA receptors. Second, we addressed the involvement of Gsk3β-Fxr1 in synaptic plasticity and sleep. We discovered that Fxr1 is a master regulator of homeostatic synaptic scaling. Moreover, it is engaged during sleep homeostasis to modulate synaptic strength via regulation of transcripts involved in local protein synthesis and synaptic structure. Third, to understand neuroanatomical correlates of D2 receptor signaling we generated a cortex-wide map of D2 expressing neurons and their projection targets. Fourth, we aimed to understand anatomically defined functions of Gsk3β downstream of D2 receptors. CRISPR/Cas9 mediated intersectional knockout of Gsk3β in D2 neurons of mPFC elucidated its contribution to the regulation of cognitive, social and mood-related behaviors. Overall, this thesis sheds light on brain functions of a GWAS-identified risk gene Fxr1 and shows the utility of intersectional CRISPR/Cas9 mediated genetic targeting for the interrogation of circuitspecific functions of genes.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus courante et la cause prédominante de la démence sénile (caractérisé par une perte de mémoire et de raisonnement) et du déclin cognitif. Elle résulte d'une dégénérescence des neurones et d'une atrophie sévère qui commence dans les lobes temporal, pariétal et frontal et dans le gyrus cingulaire, puis dans des régions sous-corticales telles que l'hippocampe et le noyau de Meynert. Des observations récentes chez les patients atteints de la MA ont fait état d'une activité cérébrale anormale, commune à d'autres troubles neurologiques avant la perte des neurones. L'hyperexcitabilité neuronale se manifeste tôt dans la MA, ce qui entraîne une hyperactivité corticale et hippocampique et parfois même une activité épileptiforme et des crises chez la souris et l'homme. Cependant, les mécanismes sous-jacents à l'hyperexcitabilité dans le cerveau de la maladie d'Alzheimer restent obscurs. Une hypothèse importante suggère que l'accumulation d'amyloïde-β perturbe la signalisation inhibitrice médiée par le GABA[indice A]. Le vieillissement normal est également associé à un déclin des fonctions cognitives, indépendamment de tout trouble neurodégénératif. Les causes du déclin cognitif associé au vieillissement (DCAV) sont multiples, mais le facteur clé est l'équilibre entre l'excitation et l'inhibition synaptiques. Comme dans le cas de la maladie d'Alzheimer, une hyperactivité neuronale dans l'hippocampe, une région du cerveau impliquée dans la formation et la rétention de la mémoire, ou une absence de désactivation du réseau du mode par défaut (DMN) ont été décrites dans les troubles cognitifs associés au vieillissement. Pourtant, dans le cortex préfrontal, une région du cerveau cruciale pour les fonctions exécutives, une réduction manifeste de la ramification dendritique se produit avec le vieillissement, entraînant une diminution de la transmission synaptique excitatrice et une augmentation de l'entrée inhibitrice. Les études présentées dans cette thèse visent à identifier les altérations de la transmission synaptique conduisant aux déficits cognitifs associés à la MA et à l'ARCD mais visent également à dévoiler les mécanismes potentiels sous-jacents à l'hyperactivité neuronale. Dans la MA, les résultats présentés ici montrent une perte de fonction de l'extrudeur de chlorure neuronal KCC2, responsable du maintien de la robustesse de l'inhibition médiée par le GABA[indice A]. La restauration de KCC2 chez les souris porteuses de mutations liées à la maladie d'Alzheimer a permis d'inverser les déficits de mémoire spatiale et les dysfonctionnements sociaux, reliant la dyshoméostasie des chlorures au déclin cognitif lié à la maladie d'Alzheimer. Avec le vieillissement normal, un sous-ensemble de souris a développé des déficits de mémoire non spatiale, un comportement de type anxieux et un dysfonctionnement social. Dans ce sous-ensemble de souris âgées atteintes de troubles cognitifs, les niveaux de protéines synaptiques inhibitrices clés étaient élevés dans le cortex préfrontal médian (CPM). L'activation optogénétique des neurones GABAergiques du CPM a modifié le comportement des jeunes souris et a reproduit certaines des déficiences cognitives observées chez les vieilles souris souffrant de troubles cognitifs. D'autre part, lorsque la stimulation optogénétique a été utilisée pour générer un modèle d'hyperactivité neuronale soutenue et chronique dans l'hippocampe de jeunes souris, les niveaux de protéines synaptiques excitatrices et inhibitrices ont été réduits, ce qui indique une perturbation générale de la transmission synaptique. Enfin, et surtout, lorsque l'on compare les protéines modifiées lors d'une stimulation optogénétique chronique chez des souris de type sauvage à celles modifiées par des mutations et des pathologies dans les modèles de la maladie d'Alzheimer, seules quelques protéines sont exprimées différemment. Ces résultats suggèrent que l'hyperactivité neuronale pourrait contribuer directement à la perturbation de la transmission synaptique et à la neuropathologie liée à la MA. En résumé, le déclin cognitif peut se produire avec une inhibition à la fois exagérée et diminuée. Ces deux voies opposées, la première étant observée dans le déclin cognitif lié à l'âge et la seconde étant typique de la MA, perturbent de manière unique le fonctionnement normal du cerveau, ce qui entraîne à son tour un déclin cognitif. Une appréciation de ces résultats peut avoir des implications pour les interventions thérapeutiques dans les deux conditions. Dans l'ensemble, les travaux présentés dans cette thèse soulignent non seulement la contribution de l'altération de la transmission inhibitrice dans le développement du déclin cognitif dans la MA et le vieillissement, mais décrivent également l'implication de l'hyperactivité neuronale dans la perturbation des synapses et la neurodégénération. / Alzheimer's disease (AD) is the most common neurodegenerative disorder and the predominant cause of senile dementia (characterized by a loss of memory and reasoning) and cognitive decline. It results from neuron degeneration and severe atrophy initiating from the temporal, parietal and frontal lobe, the cingulate gyrus and the hippocampus following by subcortical regions such as the the nucleus basalis of Meynert. Recent observations have reported an abnormal brain activity in AD patients, common to other neurological disorders prior to the neuron loss. Neuronal hyperexcitability manifests early in AD which leads to cortical and hippocampal hyperactivity and sometimes even epileptiform activity and seizures in mice and humans. However, the mechanisms underlying hyperexcitability in the AD brain remains elusive. A prominent hypothesis suggests that amyloid-β accumulation disrupts GABA[subscript A]-mediated inhibitory signaling. Normal aging is associated also with a decline in cognitive function independently of any neurodegenerative disorder. The causes of aging associated cognitive decline (ASCD) are multifaceted but a key factor is the imbalance between synaptic excitation and inhibition. Similar to AD, neuronal hyperactivity in the hippocampus, a brain region involved in memory formation and retention, or failure of deactivation of the Default Mode Network (DMN) has been described in ASCD. Yet, in the prefrontal cortex, a brain region crucial for executive functions, an overt reduction in the dendritic branching occurs with aging resulting in diminished excitatory synaptic transmission together with an increase in the inhibitory input. The studies presented in this thesis aim to identify alterations in synaptic transmission leading to cognitive deficits associated with AD and ARCD but also aim to unveil potential mechanisms underlying neuronal hyperactivity. In AD, the results presented here show a loss of function of the neuronal chloride extruder KCC2, responsible for maintaining the robustness of GABA[subscript A]-mediated inhibition. Restoring KCC2 in mice carrying AD-linked mutations reversed spatial memory deficits and social dysfunction linking chloride dyshomeostasis with AD-related cognitive decline. With normal aging, a subset of mice developed non-spatial memory impairments, anxiety-like behavior, and social dysfunction. In this subset of cognitively impaired old mice, the levels of key inhibitory synaptic proteins were elevated within the medial prefrontal cortex (mPFC). Activating mPFC GABAergic neurons optogenetically altered the behavior of young mice and mimicked some of the cognitive impairments found in the old, cognitively impaired mice. On the other hand, when optogenetic stimulation was used to generate a model of sustained, chronic neuronal hyperactivity in the hippocampus of young mice, both excitatory and inhibitory synaptic proteins levels were reduced pointing to a general disruption of synaptic transmission. Finally, and more importantly, when we compared the proteins altered upon chronic optogenetic stimulation in wild-type mice to that altered due to mutations and pathology in AD models, only a few proteins where differently expressed. These results suggest that neuronal hyperactivity could contribute directly to the disruption of synaptic transmission and the neuropathology linked to AD. To sum up, cognitive decline can occur with both exaggerated and diminished inhibition. These two opposing paths, with the first seen in age-related cognitive decline, and the second being typical to AD, uniquely disrupt normal brain functioning which in turn leads to cognitive decline. An appreciation of these findings can have implications for therapeutic interventions in the two conditions. Taken together, the work presented in this thesis not only highlights the contribution of altered inhibitory transmission in the development of cognitive decline in AD and aging, but also describes the involvement of neuronal hyperactivity in synapse disruption and neurodegeneration.

La potentialisation synaptique dans les neurones d'hippocampes repose sur l'activation du récepteur NMDA (NMDAR) et l'influx de Ca²⁺. Des changements dans le Ca²⁺ cytosolique sont détectés par des effecteurs tels que la calpaïne et la protéine kinase II Ca²⁺/calmoduline-dépendante (CaMKII), transformant ces informations en signaux qui induisent une potentialisation synaptique. Une fois activée par l'influx de Ca²⁺, la calpaïne clive de nombreuses protéines cytosoliques, récepteurs et protéines d'échafaudage, remodelant ainsi la structure synaptique, ainsi que l'activité et/ou la dynamique de nombreuses protéines. Le rôle de la calpaïne au cours du processus de plasticité synaptique a été documenté, mais le mécanisme moléculaire est loin d'être clair. Dans cette étude, nous avons examiné le lien possible entre la calpaïne et CaMKII dans la médiation de la potentialisation à long terme (LTP). Nous avons utilisé des inhibiteurs pharmacologiques de la calpaïne pour interférer avec son activation lors de la potentialisation synaptique induite chimiquement dans des cultures dissociées d'hippocampe de rat. Nous avons d'abord confirmé que l'activité de la calpaïne est essentielle pour l'induction de la LTP dans les cultures neuronales dissociées. Nous montrons que l'activité de la calpaïne est essentielle pour de nombreux processus moléculaires importants pour la LTP. L'inhibition de l'activité de la calpaïne a bloqué la phosphorylation de ERK et l'insertion des récepteurs synaptiques AMPA; deux processus régulés par CaMKII impliqués dans la potentialisation synaptique. De plus, nous montrons que la calpaïne est essentielle pour l'autophosphorylation de CaMKII en utilisant un anticorps contre pCaMKII (Thr286). En mesurant le temps de vie par fluorescence (FLIM) avec un capteur basé sur le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET) (Camui) de l'activation de CaMKII, nous montrons que l'inhibition de la calpaïne empêche le changement dépendant de l'activité de la conformation de l'holoenzyme CaMKII et donc l'activation de la kinase. Nous avons aussi utilisé l'imagerie time-lapse et avons découvert que la translocation CaMKII post-synaptique dépendante de l'activité est diminuée par les inhibiteurs de la calpaïne. De plus, nous avons mesuré les taux de diffusion de CaMKII par SPT-PALM en utilisant CaMKII-meos2 et les résultats indiquent que l'inhibition de la calpaïne empêche la diminution dépendante de l'activité de la mobilité de l'holoenzyme. Nos résultats montrent clairement que les inhibiteurs de la calpaïne affectent la dynamique de CaMKII. Cela suggère que la calpaïne affecte directement CaMKII ou agit en amont de CaMKII. En effectuant des expériences dans des cellules HEK qui n'ont pas de CaMKII endogène, nous avons démontré que la calpaïne n'affecte pas directement CaMKII. Nous avons émis l'hypothèse que la calpaïne joue un rôle dans le processus de plasticité en amont de CaMKII. Nous avons étudié l'influx Ca²⁺ dépendant de l'activité en utilisant l'imagerie GCaMP6 et nos résultats indiquent que l'activité de la calpaïne est essentielle pour cette l'augmentation de Ca²⁺. En disséquant davantage la voie de signalisation, utilisant différents protocoles de stimulation (dépolarisation synaptique ou globale), nous montrons que la calpaïne affecte l'afflux de Ca²⁺ dépendant de NMDA et non l'influx de Ca²⁺ dépendant de la dépolarisation. Ainsi, notre étude montre que la calpaïne joue un rôle essentiel dans la LTP d'une manière dépendante du NMDAR et que l'inhibition de la calpaïne interfère dans les premières étapes de la signalisation médiée par le Ca²⁺ conduisant à l'induction du LTP. En discutant de ces résultats, nous fournissons des résultats préliminaires qui peuvent nous éclairer au niveau de l'impact de l'inhibition pharmacologique de la calpaïne sur la fonction des récepteurs NMDA. / Synaptic potentiation in hippocampal neurons relies on NMDA receptor (NMDAR) activation and Ca²⁺ influx. Changes in cytosolic Ca²⁺ are detected by effectors such as calpain and Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), transforming this information into signals inducing synaptic potentiation. Once activated by Ca²⁺ influx, calpain cleaves many cytosolic proteins, receptors, and scaffolding proteins, thereby remodeling the synaptic structure, as well as the activity and/or dynamics of many proteins. The role of calpain during the synaptic plasticity process has been documented, but the molecular mechanism is far from clear. In this study, we examined the possible link between calpain and CaMKII in the mediation of Long Term Potentiation (LTP). We used pharmacological inhibitors of calpain to interfere with its activation during chemically induced synaptic potentiation in rat hippocampal dissociated cultures. We first confirmed that calpain activity is essential for LTP induction in dissociated neuronal cultures. We show that calpain activity is essential for many molecular processes important for LTP. Inhibition of calpain activity blocked ERK phosphorylation and insertion of synaptic AMPA receptors - two CaMKII-regulated processes involved in synaptic potentiation. Further, we show that calpain is essential for CaMKII autophosphorylation by using an antibody against pCaMKII (Thr286). By performing Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) with a fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based sensor (Camui) of CaMKII activation, we show that calpain inhibition prevents activity-dependent change in the conformation of the CaMKII holoenzyme and thus the activation of the kinase. We further used time-lapse imaging and found that activity-dependent post-synaptic CaMKII translocation is decreased by calpain inhibitors. Furthermore, we measured diffusion rates of CaMKII by SPT-PALM using CaMKII-meos2 and the results indicate that calpain inhibition prevents the activity-dependent decrease in the mobility of the holoenzyme. Our results clearly show that calpain inhibitors affect CaMKII dynamics. This suggests that either calpain affects CaMKII directly or is upstream to CaMKII. By performing experiments in HEK cells that do not have endogenous CaMKII, we demonstrated that calpain does not affect CaMKII directly. We hypothesized that calpain plays a role in the plasticity process at an upstream level to CaMKII. We investigated activity-dependent Ca²⁺ influx using GCaMP6 imaging and our results indicate that calpain activity is essential for this increase in Ca²⁺. Further dissecting the pathway, using different stimulation protocols (synaptic or global depolarisation), we show that calpain affects NMDA-dependent Ca²⁺ influx and not the depolarisation dependent Ca²⁺ influx. Thus, our study shows that calpain plays an essential role in LTP in an NMDAR dependent manner and that inhibiting calpain interferes in the early steps of Ca²⁺- mediated signaling leading to LTP induction. In discussing these results, we provide preliminary results that may shed light on the impact of pharmacological inhibition of calpain on NMDA receptor function.

Ce document fait la synthèse d'un ensemble de travaux concernant la nature de la plasticité neuronale et la manière dont la neurostimulation peut être utilisée pour améliorer la récupération motrice après une atteinte neurologique. Nous commençons par les principes fondamentaux généraux des neurosciences, la structure du système nerveux moteur chez l'homme et le rat, ainsi qu'une brève discussion sur les lésions neurologiques. Les sujets sont vastes et couverts avec la brièveté nécessaire, mais ils fournissent un contexte essentiel pour les chapitres suivants, présentés sous forme d'articles scientifiques. Dans le premier article, nous passons en revue le domaine de la neurostimulation sous ses aspects fondamental et clinique avec l'Accident Vasculaire Cerebral (AVC) en tant que maladie modèle pour les lésions neurologiques. Nous classifions les interventions de stimulation en trois modèles différents d'induction de la plasticité. Notre thèse centrale est qu'une meilleure compréhension des règles sous-jacentes de la plasticité, accompagnée de progrès dans une plus grande précision spatio-temporelle, est nécessaire pour faire avancer le domaine de la neurostimulation. Dans le deuxième article, nous décrivons, étape par étape, un nouveau protocole pour évaluer l'excitabilité corticospinale chez le rongeur éveillé pendant le comportement libre, ainsi que les plateformes matérielles et logicielles associées que notre équipe a développées à cette fin. L'une de ses principale caractéristique est la possibilité d'évaluer l'excitabilité corticomotrice en boucle fermée, en fonction de l'EMG, une nouvelle façon d'accroître l'uniformité des mesures sur des animaux en comportement. Cette plateforme de développement sera utile aux neuroscientifiques intéressés par l'évaluation de l'excitabilité du système nerveux chez les rongeurs éveillés par le biais d'une interrogation électrique ou optogénétique, un intermédiaire important avant les essais chez les primates non humains et éventuellement chez les humains. Dans le troisième article, nous avons utilisé cette plateforme prototype pour étudier la stimulation électrique associative appariée et le rôle de la plasticité dépendant de la synchronisation des potentiels d'action chez des rats implantés de façon chronique, sans l'influence de l'anesthésie. Nous nous sommes concentrés sur la variation systématique de l'intervalle entre la stimulation corticale et musculaire dans notre cohorte d'animaux afin de révéler l'effet de la synchronisation relative de l'activité aux niveaux cortical et spinal. Nous n'avons pas observé de potentialisation significative dans tous les intervalles de stimulation testés, mais plutôt des tendances vers des effets de type LTD dans la plupart des conditions de synchronisation. Nous discutons des raisons possibles pour lesquelles nous avons observé ces résultats. Dans le dernier article et dans le projet en cours, nous décrivons les premiers travaux prometteurs impliquant la neurostimulation optogénétique et électrique, ainsi que la réadaptation post-AVC comme tremplin pour des recherches futures. Nous concluons par une discussion générale et nous nous projetons dans l'avenir, tant à moyen qu'à long terme. La poursuite scientifique, tant sur le plan personnel que sur celui du domaine, se poursuivra, comme il se doit. Bien que ce travail soit conçu pour être lu dans un ordre séquentiel, chaque chapitre est indépendant. Collectivement, les travaux de cette thèse posent les bases et plaident en faveur d'une meilleure compréhension de la plasticité neuronale, du développement d'outils pour l'évaluer et de l'étude de ses applications pratiques pour parvenir à une meilleure récupération motrice après une lésion neurologique. / This document synthesizes a body of work concerning the nature of neural plasticity and how neurostimulation may be used to improve motor recovery after neurological insult. We begin with general foundational principles in neuroscience, the structure of the nervous and motor systems in humans and rats, and a brief discussion of neurological injury. The topics are broad and covered with the necessary brevity, but provides critical context for the following chapters. In the first paper, we review the fields of neurostimulation across the clinical and basic science domains in the service of stroke as a model disease for neurological injury, framing the field in terms of three different models of plasticity induction. Our central thesis here is that enhanced understanding of the underlying rules of plasticity, accompanied with advances in greater spatiotemporal precision is necessary to move the field of neurostimulation forward. In the second paper we describe a stable, novel step-by-step protocol to assess corticospinal excitability in the awake, freely behaving rodent, and the associated hardware and software platforms that our team has developed for this purpose. A core feature enables corticomotor excitability assessment in a closed-loop, Electromyogram (EMG)-dependent manner, a novel way of increasing consistency during free behavior in untrained animals. This development platform will be of use to neuroscientists interested in assessing the excitability of the nervous system in awake, unrestrained rodents via electrical or optogenetic interrogation, an important intermediary before trials in non-human primates and eventually humans. In the third paper, we used this prototype platform to investigate electrical paired associative stimulation and the role of spike-timing-dependent plasticity in chronically implanted rats, without the influence of anaesthesia. Our focus was on systematically varying the Inter-Stimulus Interval (ISI) between cortical and muscle stimulation in our animal cohort in order to reveal the effect of relative activity timing at both the cortical and spinal levels. We did not observe significant potentiation across all of the stimulus intervals we tested, but instead observed trends towards Long-Term Depression (LTD)-like effects in the short term across most timing conditions. We discuss possible reasons why we observed these results. In the final paper and project currently in progress, we describe early promising work involving optogenetic and electrical neurostimulation, and stroke recovery as a launchpad for future investigations. We conclude with a general discussion and peer into the future, both in the medium term and the long term. The scientific pursuit, both personally and as a field will continue, as it should. Although this work is designed to be read in sequential order, each chapter stands alone. Collectively, the work in this thesis lays the groundwork and argues for a greater understanding of neural plasticity, development of tools to assess it, and study of its practical applications to achieve enhanced motor recovery after neurological injury.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Suite aux traumatismes crâniens pénétrants, le cerveau devient graduellement hyperexcitable et génère des activités paroxystiques spontanées. Les mécanismes qui sous-tendent l’épileptogénèse demeurent cependant peu connus. La ligne directrice de nos travaux consiste en l'hypothèse que la diminution de l'activité corticale engendrée par la déafférentation déclenche des mécanismes homéostatiques agissant tant au niveau cellulaire qu’au niveau du réseau cortical, et qui mènent à une excitabilité neuronale accrue culminant en crises d’épilepsie. Nous avons testé cette hypothèse chez des chats adultes, lors de différents états de vigilance ou sous anesthésie, ayant subits une déafférentation partielle du gyrus suprasylvien. Nous avons évalué les effets de la déafférentation corticale aigue et chronique sur la survie des neurones et des cellules gliales et nous avons investigué comment la privation chronique d'afférences neuronales pourrait modifier les propriétés du réseau cortical et déclencher des crises d’épilepsie. Après la déafférentation du gyrus suprasylvien, les neurones situés dans les couches corticales profondes, en particulier les neurones inhibiteurs GABAérgiques, dégénèrent progressivement et parallèlement à une fréquence croissante des activités paroxystiques, notamment pendant le sommeil à ondes lentes. La privation chronique d'afférences neuronales et la perte de neurones activent les mécanismes homéostatiques de plasticité qui favorisent une plus grande connectivité neuronale, une efficacité plus élevée des connexions synaptiques excitatrices et des changements des propriétés neuronales intrinsèques. Ensemble, ces facteurs favorisent une excitation accrue du réseau cortical. L'activité corticale spontanée, mesurée par les taux moyens de décharge, augmente progressivement, en particulier pendant le sommeil à ondes lentes, caractérisé par des périodes silencieuses alternant avec des périodes actives. Ceci soutient, en outre, notre hypothèse concernant la participation des mécanismes de plasticité homéostatique. La dégénération des neurones des couches corticales profondes produit des changements importants dans la distribution laminaire de l'activité neuronale, qui est déplacée vers les couches plus superficielles, dans la partie déafferenté du gyrus. Ce changement dans la distribution de profils de profondeurs de décharges neuronales modifie également le déclenchement de l'activité corticale spontanée. Dans le cortex normal et dans la partie relativement intacte du gyrus suprasylvien, l'activité corticale est générée dans les couches corticales profondes. Pourtant, dans le cortex chroniquement déafferenté, l'oscillation lente et les activités ictales sont générées dans les couches superficielles et puis diffusent vers les couches plus profondes. Le traumatisme cortical induit également une importante gliose réactive et une altération de la fonction normale des cellules gliales, ce qui cause l’enlèvement dysfonctionnel du K+ extracellulaire et qui augmente l'excitabilité des neurones favorisant ainsi la génération d’activités paroxystiques. En conclusion, les mécanismes de plasticité homéostatique déclenchés par le niveau diminué d'activité dans le cortex déafferenté produisent une hyperexcitabilité corticale incontrôlable et génèrent finalement les crises d’épilepsie. Dans ces conditions, l’augmentation de l'activité corticale plutôt que la diminution avec des médicaments antiépileptiques pourrait être salutaire pour empêcher le développement de l'épileptogenèse post-traumatique. / After penetrating cortical wounds, the brain becomes gradually hyperexcitable and generates spontaneous paroxysmal activity, but the progressive mechanisms of epileptogenesis remain virtually unknown. The guiding line of our experiments was the hypothesis that the reduced cortical activity following deafferentation triggers homeostatic mechanisms acting at cellular and network levels, leading to an increased neuronal excitability and finally generating paroxysmal activities. We tested this hypothesis either in anesthetized adult cats, or during natural sleep and wake, using the model of partially deafferented suprasylvian gyrus to induce posttraumatic epileptogenesis. We evaluated the effects of acute and chronic cortical deafferentation on the survival of neurons and glial cells and how long-term input deprivation could shape up the properties of neuronal networks and the initiation of spontaneous cortical activity. Following cortical deafferentation of the suprasylvian gyrus, the deeply laying neurons, particularly the inhibitory GABAergic ones, degenerate progressively in parallel with an increased propensity to paroxysmal activity, mainly during slow-wave sleep. The chronic input deprivation and the death of neurons activate homeostatic plasticity mechanisms, which promote a gradual increased neuronal connectivity, higher efficacy of excitatory synaptic connections and changes in intrinsic cellular properties favoring increased excitation. The spontaneous cortical activity quantified by means of firing rate augments also progressively, particularly during slow-wave sleep, characterized by periods of silent states alternating with periods of active states, which supports furthermore our hypothesis regarding the involvement of homeostatic plasticity mechanisms. The degeneration of neurons in the deep cortical layers generates important changes in the laminar distribution of neuronal activity, which is shifted from the deeper layers to the more superficial ones, in the partially deafferented part of the gyrus. This change in the depth profile distribution of firing rates modifies also the initiation of spontaneous cortical activity which, in normal cortex, and in the relatively intact part of the deafferented gyrus, is initiated in the deep cortical layers. Conversely, in late stages of the undercut, both the cortical slow oscillation and the ictal activity are initiated in the more superficial layers and then spread to the deeper ones. Cortical trauma induces also an important reactive gliosis associated with an impaired function of glial cells, responsible for a dysfunctional K+ clearance in the injured cortex, which additionally increases the excitability of neurons, promoting the generation of paroxysmal activity. We conclude, that the homeostatic plasticity mechanisms triggered by the decreased level of activity in the deafferented cortex, generate an uncontrollable cortical hyperexcitability, finally leading to seizures. If this statement is true, augmenting cortical activity rapidly after cortical trauma rather than decreasing it with antiepileptic medication, could prove beneficial in preventing the development of posttraumatic epileptogenesis.