La spectroscopie RMN est un moyen unique d’évaluer l’environnement cellulaire in vivo. En effet, les molécules observées sont exclusivement intracellulaires, et ont en général un rôle biochimique ainsi qu’une compartimentation cellulaire spécifique. C’est donc un outil potentiellement utile pour comprendre le fonctionnement des cellules dans leur environnement. Mon travail de thèse consistait à développer de nouvelles séquences en spectroscopie de diffusion et en spectroscopie du phosphore 31.Mon premier travail a été de développer une séquence de spectroscopie de diffusion à temps de diffusion ultra-court pour observer la diffusion anormale dans le cerveau de rat. L’évolution de l’ADC en fonction du temps de diffusion montre que le transport des métabolites dans le cerveau se fait essentiellement par diffusion aléatoire et que la contribution des transports actifs (s’ils existent) est négligeable. La modélisation de ces données a mis en évidence que la spectroscopie de diffusion à court temps de diffusion était sensible à la viscosité du cytoplasme et à l’encombrement à courte échelle. Cette technique a donc été choisie lors d’une collaboration avec la firme Eli Lilly pour le suivi de souris transgéniques (rTg4510), modèle de taupathie. Les résultats préliminaires font apparaitre des différences significatives d’ADC à un stade précoce de la neurodégénérescence (3 et 6 mois). La spectroscopie RMN du phosphore 31 permet d’observer des métabolites directement impliqués dans le processus énergétique. Au cours de cette thèse, des séquences de localisation ont été développées pour pouvoir mesurer le pH intracellulaire dans le striatum de macaque. A terme, ces séquences seront utilisées pour évaluer l’utilité potentielle du pH comme biomarqueur de la neurodégénérescence dans un modèle phénotypique de la maladie de Huntington chez le macaque. / NMR spectroscopy is a unique modality to evaluate intracellular environment in vivo. Indeed observed molecules are specifically intracellular and generally have a biochemistry role and a specific cellular compartmentation. That could be a useful tool to understand cell functioning in their environment. My thesis work consisted in development of new sequence in both diffusion and phosphorus NMR spectroscopy.My first study was to develop a diffusion-weighted spectroscopy at ultra-short diffusion time to look at the anomalous diffusion in the rat brain. ADC evolution as a function of time shows that brain metabolites motion is mainly due to random diffusion and that active transport (if exist) are negligible. Data modeling evidences that diffusion at short diffusion time is sensitive to cytoplasm viscosity and short scale crowding. In collaboration with the pharmaceutical company, this technique was chosen to follow up transgenic mice (rTg4510), model of tau pathology. Preliminary results show significant differences of ADC at an early stage of neurodegenerescence (3 and 6 months).Phosphorus spectroscopy allows observation of metabolites directly implicated in energetic processes. During this thesis, localization sequences were developed to measure intracellular pH in the primate striatum. These sequences are supposed to be used to evaluate the potential of pH as a biomarker of neurodegenerescence in a phenotypic model of the Huntington disease in the non-human primate.

La spectroscopie RMN est un moyen unique d'évaluer l'environnement cellulaire in vivo. En effet, les molécules observées sont exclusivement intracellulaires, et ont en général un rôle biochimique ainsi qu'une compartimentation cellulaire spécifique. C'est donc un outil potentiellement utile pour comprendre le fonctionnement des cellules dans leur environnement. Mon travail de thèse consistait à développer de nouvelles séquences en spectroscopie de diffusion et en spectroscopie du phosphore 31.Mon premier travail a été de développer une séquence de spectroscopie de diffusion à temps de diffusion ultra-court pour observer la diffusion anormale dans le cerveau de rat. L'évolution de l'ADC en fonction du temps de diffusion montre que le transport des métabolites dans le cerveau se fait essentiellement par diffusion aléatoire et que la contribution des transports actifs (s'ils existent) est négligeable. La modélisation de ces données a mis en évidence que la spectroscopie de diffusion à court temps de diffusion était sensible à la viscosité du cytoplasme et à l'encombrement à courte échelle. Cette technique a donc été choisie lors d'une collaboration avec la firme Eli Lilly pour le suivi de souris transgéniques (rTg4510), modèle de taupathie. Les résultats préliminaires font apparaitre des différences significatives d'ADC à un stade précoce de la neurodégénérescence (3 et 6 mois). La spectroscopie RMN du phosphore 31 permet d'observer des métabolites directement impliqués dans le processus énergétique. Au cours de cette thèse, des séquences de localisation ont été développées pour pouvoir mesurer le pH intracellulaire dans le striatum de macaque. A terme, ces séquences seront utilisées pour évaluer l'utilité potentielle du pH comme biomarqueur de la neurodégénérescence dans un modèle phénotypique de la maladie de Huntington chez le macaque.

La drépanocytose est la maladie génétique la plus répandue au monde. Elle est caractérisée par la synthèse d’une hémoglobine anormale S (HbS) et associée à une altération des processus de distribution d’oxygène. Bien que ces anomalies puissent impacter le muscle strié squelettique, ce tissu n’a que très rarement été étudié. L’objectif de ce travail de thèse était de décrire les réponses fonctionnelles et énergétiques du muscle à l’exercice aigu, à l’ischémie – reperfusion et à l’entraînement en endurance dans un modèle de souris drépanocytaires, et d’identifier les mécanismes responsables des échanges de protons entre le muscle et le sang.Des souris drépanocytaires sédentaires et entraînées ont été soumises à des protocoles standardisés de repos – stimulation – récupération et repos – ischémie – reperfusion pendant lesquels la force et le métabolisme énergétique (par spectroscopie de résonance magnétique du phosphore 31) étaient mesurés. Des souris hétérozygotes pour le transporteur de monocarboxylate 1 (MCT1) ont également été soumises au protocole de stimulation. Des analyses in vitro du métabolisme énergétique et des mécanismes de régulation du pH ont également été réalisées.Ce travail a permis de démontrer que les réponses fonctionnelles et énergétiques à l’exercice musculaire et l’ischémie - reperfusion étaient affectées par la présence d’HbS et que l’entraînement en endurance permettait d’améliorer une partie de ces anomalies. Nous avons également observé que MCT1 était responsable de l’entrée des protons dans la cellule au repos, mais peu actif pendant l’exercice. / Sickle cell disease (SCD) is the most frequent inherited disorder in the world. It is characterized by the synthesis of an abnormal hemoglobin S (HbS) and associated with impairments in oxygen delivery processes. If these abnormalities could impact skeletal muscle, this tissue has been rarely investigated. The aim of this thesis was to investigate muscular function and energetics in response to acute exercise, ischemia – reperfusion and endurance training in a mouse model of SCD, as well as identify the mechanisms involved in proton exchanges between muscle and blood.Sedentary and trained SCD mice were submitted to protocols of rest – stimulation – recovery and rest – ischemia – reperfusion during which muscular force and energetics (by magnetic resonance spectroscopy of phosphorus 31) were measured. Monocarboxylate transporter 1 (MCT1) haploinsufficient mice were also submitted to the stimulation protocol. Several muscles were sampled and permitted to analyze in vitro enzyme activities, content of proteins involved in pH regulation and some markers of oxidative stress.This thesis demonstrated that muscular function and energetics were impaired in SCD mice in response to both exercise and ischemia – reperfusion and that endurance training could alleviate some of these abnormalities, particularly acting on oxidative processes. We have also observed that MCT1 is involved in proton uptake by myocytes at rest, but its action is less important during exercise.

Au cours de la croissance et de la maturation, le muscle squelettique subit de nombreux changements. Principalement on constate une augmentation considérable de la masse musculaire concomitante à l’augmentation de la capacité de force et plusieurs résultats suggèrent que la maturation affecte la fonction musculaire à la fois au niveau de la commande motrice et du métabolisme énergétique. Pour des raisons éthiques évidentes, la fonction musculaire n’a été que peu étudiée chez l’enfant. Malgré leur caractère strictement non-invasif les techniques de résonance magnétique n’ont été que peu utilisées pour caractériser cette fonction chez l’enfant et les résultats controversés ne permettent pas de dégager un consensus. Dans ce travail la fonction musculaire de l’enfant sain a été étudiée in vivo par Imagerie et Spectroscopie de Résonance Magnétique. Par IRM, nous nous avons mis en évidence que la capacité de force volontaire maximale d’un muscle reste proportionnelle à sa taille de l’enfance à l’âge adulte. Par ailleurs nos résultats obtenus par SRM du P31 ont clairement montré que la capacité oxydative et la production d’ATP mitochondriale était augmentée avant la puberté, illustrant que les enfants sollicitaient plus leur métabolisme aérobie que les adultes pour répondre à la demande énergétique pour une intensité donnée. De plus, nos résultats ont montré que la filière énergétique de la glycolyse anaérobie était pleinement mature dès l’enfance. Enfin, face à la difficulté pour mettre en place des études longitudinales chez l’homme nous avons développé un protocole expérimental permettant le suivi longitudinal de la fonction musculaire au cours du développement chez le rat. / Growth and maturation are accompanied by important changes in skeletal muscle function (e.g. muscle mass and strength dramatically increase). Moreover, some evidences strongly suggest that maturation significantly affects skeletal muscle function both at the neural drive and energetics levels. For ethical reasons, few studies have been performed in children. Despite their non traumatic aspect the MR techniques, it has been barely used in this context. In this work, the skeletal muscle function of healthy children has been characterized in vivo using MRI and 31P-MRS. Our results refuted the hypothesis of a motor drive immaturity in children. We did not report any change in the relationship between muscle volume measured by MRI and maximum isometric strength or in specific strength from childhood to adulthood. The ability of a given muscle volume to produce force seems not to change during growth. Then, we investigated whether development affects muscle energetics using 31P-MRS comparing prepubescent boys and men. Our results showed that, for a similar total energy cost, the aerobic contribution to ATP production was significantly higher in boys and compensated for by a reduced PCr breakdown while glycolysis was similar whatever the age. In addition, the recovery rate of PCr after the standardized exercise was faster in boys illustrating a higher maximal oxidative capacity before puberty. Finally, our understanding of skeletal muscle function in children is still limited by the difficulty to perform longitudinal studies. In that respect, we have initiated an original protocol allowing the longitudinal investigation of the gastrocnemius muscle throughout development in rat.

La myopathie némaline (MN) est une maladie neuromusculaire rare représentant la forme la plus répandue de myopathie congénitale. Elle est caractérisée par une faiblesse musculaire et la présence de structures en forme de bâtonnets au sein de la fibre musculaire squelettique. Au cours des dix dernières années, le développement de plusieurs modèles murins de MN a permis de mettre en évidence in vitro plusieurs mécanismes physiopatholgiques responsables, au moins en partie, de la faiblesse musculaire associée à la MN. Ce projet était donc dédié à la caractérisation phénotypique in vivo de la fonction musculaire squelettique de quatre modèles murins de MN reproduisant des formes humaines légères et sévères. A l’aide d’un dispositif expérimental précédemment développé au laboratoire, la fonction musculaire squelettique a été évaluée de manière strictement noninvasive à l’aide des techniques d’imagerie de résonance magnétique (IRM) multimodale (Dixon, T2, imagerie du tenseur de diffusion (DTI)) et de spectroscopie de résonance magnétique du phosphore 31 (SRM-P31) associées à des mesures mécaniques. Nous avons démontré que les altérations observées in vivo ne sont pas nécessairement similaires à celles rapportées in vitro. La SRM-P31 nous a permis de mettre en évidence des altérations métaboliques uniquement pour les formes sévères. Une absence d’infiltration intramusculaire de tissu adipeux a également été observée à l’aide de l’IRM Dixon. Enfin, les techniques d’IRM T2 et de DTI nous ont permis de déterminer des biomarqueurs noninvasifs et quantitatifs qui pourraient, à terme, permettre d’évaluer la sévérité et/ou la progression de la maladie chez les patients atteints de MN. / Nemaline myopathy (NM) is the most common of the non-dystrophic congenital myopathies and is characterized by muscle weakness and accumulation of an electron dense material (rods) within the sarcomeric units. Over the past decade, the generation of mouse models of NM allowed to identify in vitro several physiopathological mechanisms involved, at least in part, in muscle weakness in NM. This project has been devoted to the in vivo phenotypic characterization of the skeletal muscle function of mouse models mimicking mild and severe human forms of NM. Skeletal muscle function was assessed on four mouse models of NM with an original and strictly noninvasive experimental setup designed and built in our laboratory allowing 31P-magnetic resonance spectroscopy (31P-MRS) and multimodal magnetic resonance imaging (MRI) investigations, including Dixon, T2 mapping and Diffusion Tensor Imaging (DTI). Our results suggest that in vitro alterations did not necessarily translate into similar changes in vivo. 31P-MRS illustrated an altered energy metabolism only for the mouse models mimicking severe form of NM. Our Dixon MRI investigations showed that fatty infiltration was negligible. Finally, T2 maps and DTI experiments provided relevant noninvasive and quantitative biomarkers for monitoring the severity and/or the progression of NM in patients.

L'ectrostimulation dite conventionnelle (CONV) est délivrée par des impulsions électriques de basse fréquence (≤ 50 Hz), de courte durée (< 400 μs) et de haute intensité. Ce type d'ESNM permet ainsi d'évoquer une contraction musculaire grâce à l'activation directe des axones moteurs et est associé à une fatigue musculaire exagérée par rapport aux contractions volontaires (VOL). Au contraire, lors de l'utilisation d'impulsions de longues durées (1 ms), de hautes fréquences (≥ 80 Hz) et de faibles intensités (i.e. protocole « Wide-Pulse, High-Frequency » (WPHF)), une partie de la force musculaire évoquée aurait pour origine des mécanismes centraux. En effet, une augmentation de la force produite en réponse à WPHF a été rapportée alors que l'intensité de stimulation était constante. Cette « extra force » (EF) refléterait le recrutement par voie réflexe des motoneurones spinaux. L'objectif de ce travail de thèse était de mieux appréhender les mécanismes neurophysiologiques à l'origine de l'EF et d'évaluer les conséquences métaboliques et corticales du protocole WPHF (1 ms - 100 Hz) par rapport à des protocoles d'exercices VOL et de type CONV (50 μs - 25 Hz). Les réponses musculaires des fléchisseurs plantaires et les réponses cérébrales ont été évalué par résonance magnétique nucléaire (la spectroscopie par résonance magnétique du phosphore 31 du muscle et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle du cerveau) et électrophysiologie (EMG). Ces résultats constituent une première étape importante vers une meilleure prise en charge des pathologies liées à des atteintes du neuromusculaire. / Conventional neuromuscular electrical stimulation (CONV) is delivered via surface electrodes at short pulse duration (< 400 μs), low frequencies (≤ 50 Hz) and high current intensities. The motor unit recruitment pattern of CONV, however, is different from the pattern of voluntary contractions (VOL) and leads to a hastened onset of muscle fatigue. The use of wide-pulses (1ms), high frequencies (100 Hz) (WPHF) and low current intensities might approach the natural activation pattern of VOL by enhancing the neural contribution to force production. Previous studies investigating WPHF reported progressive and unexpected force increments ("Extra Forces") despite a constant stimulation intensity which might reflect the more pronounced activation of sensory pathways within the central nervous system. The objective of this thesis was to investigate this "Extra Force" (EF) phenomenon and to evaluate the efficiency of WPHF (1 ms pulse duration at 100 Hz) in terms of metabolic demand and neural contribution to force production in comparison to CONV NMES (0.05 ms pulse duration at 25 Hz) and VOL. Our experiments comprised electrophysiological (EMG) and nuclear magnetic resonance techniques (31P spectroscopy of the muscle, functional imaging of the brain). The findings should be considered in future studies investigating the potential of NMES in a clinical context as a treatment for neuromuscular pathologies.