The retina is the ocular tissue responsible for the detection of light. Its extensive demand for oxygen, coupled with a concomitant elevated supply, renders this tissue prone to both hypoxia and hyperoxia. In this thesis, we construct mathematical models of the retina, formulated as systems of reaction-diffusion equations, investigating its oxygen-related dynamics in healthy and diseased states. In the healthy state, we model the oxygen distribution across the human retina, examining the efficacy of the protein neuroglobin in the prevention of hypoxia. It has been suggested that neuroglobin could prevent hypoxia, either by transporting oxygen from regions where it is rich to those where it is poor, or by storing oxygen during periods of diminished supply or increased uptake. Numerical solutions demonstrate that neuroglobin may be effective in preventing or alleviating hypoxia via oxygen transport, but that its capacity for oxygen storage is essentially negligible, whilst asymptotic analysis reveals that, contrary to the prevailing assumption, neuroglobin's oxygen affinity is near optimal for oxygen transport. A further asymptotic analysis justifies the common approximation of a piecewise constant oxygen uptake across the retina, placing existing models upon a stronger theoretical foundation. In the diseased state, we explore the effect of hyperoxia upon the progression of the inherited retinal diseases, known collectively as retinitis pigmentosa. Both numerical solutions and asymptotic analyses show that this mechanism may replicate many of the patterns of retinal degeneration seen in vivo, but that others are inaccessible to it, demonstrating both the strengths and weaknesses of the oxygen toxicity hypothesis. It is shown that the wave speed of hyperoxic degeneration is negatively correlated with the local photoreceptor density, high density regions acting as a barrier to the spread of photoreceptor loss. The effects of capillary degeneration and treatment with antioxidants or trophic factors are also investigated, demonstrating that each has the potential to delay, halt or partially reverse photoreceptor loss. In addition to answering questions that are not accessible to experimental investigation, these models generate a number of experimentally testable predictions, forming the first loop in what has the potential to be a fruitful experimental/modelling cycle.

Malgré des recherches intensives portant sur l’hérédité et les aspects biologiques de la rétinite pigmentaire (RP), peu de recherches fondées ont porté sur les aspects psychologiques. Ces quelques études suggèrent que les personnes atteintes de rétinite pigmentaire s’adaptent différemment à la déficience visuelle. Le but de la présente étude était donc de vérifier si les personnes atteintes de rétinite pigmentaire s’adaptaient différemment d’un point de vue psychologique par rapport à des personnes ayant une déficience visuelle causée par une autre pathologie. Des entrevues téléphoniques incluant des personnes ayant la rétinite pigmentaire, la rétinopathie diabétique (RD) et l’albinisme ont été menées. Cinq questionnaires ont été utilisés afin d’évaluer le bien-être psychologique et de recueillir les données démographique. Les résultats de la première étude démontrent qu’il n’existe aucune différence entre les individus atteints de rétinite pigmentaire et ceux ayant d’autres pathologies visuelles d’un point de vue « bien-être psychologique ». En fait, les facteurs démographiques, la baisse de vision, les fluctuations et le type de perte de vision semblent être les seuls facteurs directement corrélés à l’adaptation et au bien-être psychologique. Dans la deuxième étude, aucune différence n’a pu être établie entre les trois types de pathologies. Ce sont plutôt, des facteurs comme la perception des capacités fonctionnelles, l’identité personnelle, l’appréhension de la perception sociale et le niveau d’indépendance qui étaient davantage reliés au bien-être psychologique associé à la déficience visuelle. Les résultats de cette étude suggèrent que les personnes atteintes de Rétinite pigmentaire ne présentent pas de différences au niveau du bien-être psychologique et de l’adaptation. Les facteurs démographiques et psychologiques sont plus importants que la pathologie elle-même. / While there is extensive research on retinitis pigmentosa (RP) focusing on biological and hereditary aspects of the disease, little research regarding psychological adjustment has been conducted. These few studies suggest that people with RP adapt differently to vision impairment. This study investigated whether those with RP adapt differently to vision loss/impairment than those with other vision disorders. Telephone interviews of those with RP, diabetic retinopathy (DR), and albinism were conducted. Demographic information was gathered and psychological wellbeing was assessed using the Visual Function-14, Centre of Epidemiology Studies Depression-10 symptoms index, Impact of Vision Impairment Profile, Brief COPE, and Adaptation to Vision Loss Scale. In Experiment I it was found that individuals with RP did not differ from those with other diagnoses on any of the measures of psychological wellbeing and adaptation. Rather, demographic factors, visual factors such as declining and fluctuating vision, and pattern of vision loss, were better correlates of adaptation to and psychological wellbeing associated with vision loss/impairment. In Experiment II there was no difference found between those with RP and other diagnoses on any of the measures. Rather, factors such as perceived visual ability, self-identity, fear of social stigma and level of dependence were more closely related to adaptation to and psychological wellbeing associated with vision loss/impairment. The results of this study suggest that individuals with RP do not differ from those with other vision disorders in their adaptation to and psychological wellbeing associated with vision loss/impairment, but that other demographic, visual and psychological factors are more important.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 2009. / Härtill 4 uppsatser. Även tryckt utgåva.

La complexité de l’étude des neuropathies héréditaires provient de leur hétérogénéité clinique et génétique et de la diversité des fibres composant les nerfs périphériques. Cette complexité se reflète dans les nombreuses classifications différentes. Les neuropathies héréditaires se classifient entre autres selon leur mode de transmission et leur atteinte sensitive, autonomique et motrice. Les neuropathies héréditaires sensitives et autonomiques (NHSA) se présentent avec une perte de la sensation distale aux membres, accompagnée d’autres manifestations selon le type de NHSA. L’étude des NHSA est facilitée lorsqu’il existe des grappes de familles originaires de régions du Québec où des effets fondateurs pour des maladies récessives ont déjà été identifiés. Nous avons recruté une grande famille canadienne-française originaire de Paspébiac dans la Baie-des-Chaleurs dans laquelle nous avons identifié quatre cas atteints d’une neuropathie héréditaire sensitive avec rétinite pigmentaire et ataxie (NHSRPA). Nous avons émis l’hypothèse que nous étions en présence d’une nouvelle forme de neuropathie héréditaire sensitive récessive à effet fondateur. Afin d’identifier la position chromosomique du gène muté responsable de la NHSRPA, nous avons tout d’abord complété un criblage du génome en génotypant des marqueurs microsatellites «single tandem repeat» (STR) sur des individus clés et nous avons ensuite procédé à une analyse de liaison génétique paramétrique. Ces études nous ont permis de lier cette famille au chromosome 1 et de définir un premier intervalle candidat de 6,7 Mb. Grâce à un génotypage de marqueurs «single nucleotide polymorphism» (SNP), nous avons réduit l’intervalle candidat à 5,3 Mb au locus 1q32,2-q32,3. Cette région contient 44 gènes candidats. Une revue plus fine de la littérature a fait ressortir qu’une famille espagnole et une américaine de souche hollandaise souffrant de la même maladie avaient déjà été liées au même locus. L’origine possiblement basque de notre famille gaspésienne nous a poussé à comparer l’haplotype porteur avec celui de la famille espagnole qui, quoi que gitane, provient du pays basque espagnol. Ces travaux ont démontré le partage d’une région de 203 kb. Afin de rétrécir davantage notre intervalle candidat, nous avons comparé les haplotypes des cas entre les deux familles et nous avons identifié un dernier intervalle candidat de 60 SNP au locus 1q32,3. Cette région ne contient que quatre gènes candidats dont le plus intéressant est le gène «activating transcription factor» (ATF3). À ce jour, aucune mutation n’a été trouvée dans le gène ATF3 et les gènes FAM71A, BATF3 et NSL1. Des expériences supplémentaires sont nécessaires afin d’identifier le gène muté responsable de la NHSRPA. / Hereditary neuropathies study’s complexity comes from their clinical and genetic heterogeneity and the peripheral nerves fibers’ diversity. This complexity leads to numerous different classifications. Hereditary neuropathies are classified based on the transmission mode and the sensitive, autonomic and motor affection. Hereditary sensory and autonomic neuropathies (HSAN) present themselves with members’ distal loss and other manifestations depending on the HSAN type. HSAN study can be facilitated when there are existing family grapes originating from Quebec regions where recessive diseases founder effects have been identified. We have recruited a large French-Canadian family originating from Paspébiac in the Baie-des-Chaleurs in which we have identified four cases affected by a hereditary sensory neuropathy with retinitis pigmentosa and ataxia (HSNRPA). We have hypothesized that we were in presence of a new form of recessive hereditary sensitive neuropathy with founder effect. In order to identify the HSNRPA causing mutated gene chromosomal position, we first completed a genome wide scan by genotyping microsatellite single tandem repeat (STR) markers on informative individuals and we have then proceeded to a parametric genetic linkage analysis. These studies allowed us to link this family to chromosome 1 and define a first candidate interval of 6.7 Mb. Second to the single nucleotide polymorphism (SNP) markers genotyping, we have reduced the candidate interval at 5.3 Mb on locus 1q32.2-q32.3. This region contains 44 genes. A finer literature review made us realize that a Spanish family and an American from Dutch origin suffering from the same disease had already been linked to the same locus. The possible Gaspesian family’s Basque origins brought us to compare their carrier haplotype with the Spanish family’s, although Gypsy but coming from the Spanish Basque country. This work has demonstrated a shared region of 203 kb. In order to further refine our candidate interval, we have compared the haplotypes of the cases between the two families and we have identified a last candidate interval of 60 SNP at locus 1q32.3. This region contains only four candidate genes, the activating transcription factor (ATF3) gene being the most interesting one. Until today, no mutation has been found in the ATF3 gene and in the FAM71A, BATF3 and NSL1 genes. Further experiments will be necessary in order to identify the HSNRPA causing mutated gene.

Malgré des recherches intensives portant sur l’hérédité et les aspects biologiques de la rétinite pigmentaire (RP), peu de recherches fondées ont porté sur les aspects psychologiques. Ces quelques études suggèrent que les personnes atteintes de rétinite pigmentaire s’adaptent différemment à la déficience visuelle. Le but de la présente étude était donc de vérifier si les personnes atteintes de rétinite pigmentaire s’adaptaient différemment d’un point de vue psychologique par rapport à des personnes ayant une déficience visuelle causée par une autre pathologie. Des entrevues téléphoniques incluant des personnes ayant la rétinite pigmentaire, la rétinopathie diabétique (RD) et l’albinisme ont été menées. Cinq questionnaires ont été utilisés afin d’évaluer le bien-être psychologique et de recueillir les données démographique. Les résultats de la première étude démontrent qu’il n’existe aucune différence entre les individus atteints de rétinite pigmentaire et ceux ayant d’autres pathologies visuelles d’un point de vue « bien-être psychologique ». En fait, les facteurs démographiques, la baisse de vision, les fluctuations et le type de perte de vision semblent être les seuls facteurs directement corrélés à l’adaptation et au bien-être psychologique. Dans la deuxième étude, aucune différence n’a pu être établie entre les trois types de pathologies. Ce sont plutôt, des facteurs comme la perception des capacités fonctionnelles, l’identité personnelle, l’appréhension de la perception sociale et le niveau d’indépendance qui étaient davantage reliés au bien-être psychologique associé à la déficience visuelle. Les résultats de cette étude suggèrent que les personnes atteintes de Rétinite pigmentaire ne présentent pas de différences au niveau du bien-être psychologique et de l’adaptation. Les facteurs démographiques et psychologiques sont plus importants que la pathologie elle-même. / While there is extensive research on retinitis pigmentosa (RP) focusing on biological and hereditary aspects of the disease, little research regarding psychological adjustment has been conducted. These few studies suggest that people with RP adapt differently to vision impairment. This study investigated whether those with RP adapt differently to vision loss/impairment than those with other vision disorders. Telephone interviews of those with RP, diabetic retinopathy (DR), and albinism were conducted. Demographic information was gathered and psychological wellbeing was assessed using the Visual Function-14, Centre of Epidemiology Studies Depression-10 symptoms index, Impact of Vision Impairment Profile, Brief COPE, and Adaptation to Vision Loss Scale. In Experiment I it was found that individuals with RP did not differ from those with other diagnoses on any of the measures of psychological wellbeing and adaptation. Rather, demographic factors, visual factors such as declining and fluctuating vision, and pattern of vision loss, were better correlates of adaptation to and psychological wellbeing associated with vision loss/impairment. In Experiment II there was no difference found between those with RP and other diagnoses on any of the measures. Rather, factors such as perceived visual ability, self-identity, fear of social stigma and level of dependence were more closely related to adaptation to and psychological wellbeing associated with vision loss/impairment. The results of this study suggest that individuals with RP do not differ from those with other vision disorders in their adaptation to and psychological wellbeing associated with vision loss/impairment, but that other demographic, visual and psychological factors are more important.

L’objectif de cette thèse est la validation fonctionnelle d’implants rétiniens pour la restauration fonctionnelle de la vision chez des patients non voyants suite à la perte de leurs photorécepteurs. Ce travail a été réalisé sur modèle animal et a évalué expérimentalement de nouveaux protocoles de stimulation. Tout d’abord nous avons utilisé la technique de spectroscopie d’impédance pour simuler mathématiquement l’interface tissu-implantafin de caractériser la présence d’un espace entre le tissu et l’implant. La seconde partie compare par imagerie optique (IO) les caractéristiques de la réponse corticale évoquée par stimulation visuelle ou électrique de la rétine par prothèse sous rétinienne. Nous avons retrouvé que la taille de l’activation par l’implant rétinien est beaucoup plus grande que son correspondant visuel. Dans une troisième partie, est réalisée une évaluation in vitro de la performance des stimulations sur rétine isolée pour définir comment les cellules ganglionnaires réagissent à différents modes de stimulations. Ce travail a permis d’établir la courbe des réponses en fonction de l’intensité des stimulations électriques. Enfin, la thèse décrit un modèle animal de dégénérescence rétinienne qui présente des désorganisations de la rétine externe. Une analyse en IO a été réalisée sur ce modèle afin d’évaluer la réponse corticale aux stimuli visuels et électriques. Ce travail de thèse, par des approches physiques et physiologiques complémentaires, apporte un certain nombre de réponses qui devraient permettre d’améliorer l’utilisation de futures prothèses rétiniennes par une adaptation physique des matrices d’électrodes ou des patrons de stimulations utilisées / The aim of this thesis is the functional validation of retinal implants used for vision restoration in blind patients due to the loss of photoreceptors. This work was designed to develop an animal model to experimentally validate prototypes of new implants and new stimulation protocols pattern. Firstly we used the technique of impedance spectroscopy to simulate mathematically the tissue/implant interface. These data confirm the importance of reducing the space between the stimulating electrodes and retinal tissue, as well as the importance of physical characteristics of the electrical stimulus used. In a second approach, we have compared responses of visual cortical neuronal population using optical imaging (OI), evoked either by visual or electric retinal stimulation through subretinal prosthesis. This approach has demonstrated that the stimulation of an electrode induces cortical activation that the size of the cortical response to the retinal implant stimulation is much larger than its corresponding visual stimulus. In the third part, I performed in vitro experiment to measure the performance of stimulation at the level of ganglion cells of isolated retina. We have quantified the response curve as a function of the intensity of the electrical stimulation. Finally, the thesis describes a new animal model of outter retinal degeneration. OI was also performed on this model to assess the response to the visual and retinal prosthesis stimulations. This thesis, through complementary physical and physiological approaches, provides a number of responses that can potentially improve the use of retinal prostheses through specification of their design or patterns of stimulation.

Deafblindness is a combined impairment of vision and hearing with an incidence of about 1: 8000 children and 1: 5500 adults. The most common genetic causes are the Stickler (STL) and Usher (USH) syndromes. The main goal of this work is to provide an up-to-date overview of STL and USH in the Czech and Slovak Republic (CR and SR), to determine the correlations between the genotype and phenotype in our population and the associated diagnostic criteria. Using sequencing and MLPA we examined 45 patients from 28 families for suspected STL. We found potentially causal variants of STL genes in 39 patients from 22 families. Fifteen different COL2A1 variants (8 being novel) were found in 28 patients from 18 families and 4 novel COL11A1 variants were found in 11 patients from 4 families. We identified the cause of the disease in 79 % of the families. The USH study involved 30 patients from 27 families. The most frequent cause was USH2A pathogenic variants, i.e. 19 variants in 14 families, 9 being novel. Less common were pathogenic variants in MYO7A (6 variants in 3 families, 5 being novel), USH1C and CDH23 (3 variants, 2 being novel, in 2 families both) genes. In 2 families, compound heterozygosity was found for variants in two different USH genes. The deafblindness etiology was clarified for 24 patients from...

The work focuses on molecular genetic testing of patients with Usher syndrome to confirm the diagnosis, to determine the causal cause of the disease and describe new mutations causing Usher syndrome in Czech patients. Usher syndrome is a clinically and genetically heterogeneous disease that is the most common cause of hereditary deafblindness. Based on responsible genes and disease onset is classified into three clinical subtypes. Given the fact that there is currently no specific treatment, there is a need to understand the pathophysiology of this disease and to broaden the spectrum of causal mutations. The theoretical part of the thesis deals with the anatomy of the eye, especially the structure of the retina. Attention is also paid to retinal diseases, such as the progressive loss of vision characteristic for retinitis pigmentosa (RP). RP may occur either as an isolated disorder or also affecting other organs, so-called syndromic RP. Classic syndromic RP includes Usher's syndrome, which the work mainly deals with. The theoretical part of the thesis describes mainly the mechanism of the disease, the functions of individual Usher proteins and the genes that encode these proteins. The haplotype analysis has been previously done for the most common mutations causing Usher's syndrome in Europe Based...

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