3D geoelectrical monitoring to follow hydric soil behaviour during rainfall

RESUME Durant les dernières années, les méthodes électriques ont souvent été utilisées pour l'investigation des structures de subsurface. L'imagerie électrique (Electrical Resistivity Tomography, ERT) est une technique de prospection non-invasive et spatialement intégrée. La méthode ERT a subi des améliorations significatives avec le développement de nouveaux algorithmes d'inversion et le perfectionnement des techniques d'acquisition. La technologie multicanale et les ordinateurs de dernière génération permettent la collecte et le traitement de données en quelques heures. Les domaines d'application sont nombreux et divers: géologie et hydrogéologie, génie civil et géotechnique, archéologie et études environnementales. En particulier, les méthodes électriques sont souvent employées dans l'étude hydrologique de la zone vadose. Le but de ce travail est le développement d'un système de monitorage 3D automatique, non- invasif, fiable, peu coûteux, basé sur une technique multicanale et approprié pour suivre les variations de résistivité électrique dans le sous-sol lors d'événements pluvieux. En raison des limitations techniques et afin d'éviter toute perturbation physique dans la subsurface, ce dispositif de mesure emploie une installation non-conventionnelle, où toutes les électrodes de courant sont placées au bord de la zone d'étude. Le dispositif le plus approprié pour suivre les variations verticales et latérales de la résistivité électrique à partir d'une installation permanente a été choisi à l'aide de modélisations numériques. Les résultats démontrent que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle et plus apte à détecter les variations latérales et verticales de la résistivité électrique, et cela malgré la configuration non-conventionnelle des électrodes. Pour tester l'efficacité du système proposé, des données de terrain ont été collectées sur un site d'étude expérimental. La technique de monitorage utilisée permet de suivre le processus d'infiltration 3D pendant des événements pluvieux. Une bonne corrélation est observée entre les résultats de modélisation numérique et les données de terrain, confirmant par ailleurs que le dispositif pôle-dipôle offre une meilleure résolution que le dispositif pôle-pôle. La nouvelle technique de monitorage 3D de résistivité électrique permet de caractériser les zones d'écoulement préférentiel et de caractériser le rôle de la lithologie et de la pédologie de manière quantitative dans les processus hydrologiques responsables d'écoulement de crue. ABSTRACT During the last years, electrical methods were often used for the investigation of subsurface structures. Electrical resistivity tomography (ERT) has been reported to be a useful non-invasive and spatially integrative prospecting technique. The ERT method provides significant improvements, with the developments of new inversion algorithms, and the increasing efficiency of data collection techniques. Multichannel technology and powerful computers allow collecting and processing resistivity data within few hours. Application domains are numerous and varied: geology and hydrogeology, civil engineering and geotechnics, archaeology and environmental studies. In particular, electrical methods are commonly used in hydrological studies of the vadose zone. The aim of this study was to develop a multichannel, automatic, non-invasive, reliable and inexpensive 3D monitoring system designed to follow electrical resistivity variations in soil during rainfall. Because of technical limitations and in order to not disturb the subsurface, the proposed measurement device uses a non-conventional electrode set-up, where all the current electrodes are located near the edges of the survey grid. Using numerical modelling, the most appropriate arrays were selected to detect vertical and lateral variations of the electrical resistivity in the framework of a permanent surveying installation system. The results show that a pole-dipole array has a better resolution than a pole-pole array and can successfully follow vertical and lateral resistivity variations despite the non-conventional electrode configuration used. Field data are then collected at a test site to assess the efficiency of the proposed monitoring technique. The system allows following the 3D infiltration processes during a rainfall event. A good correlation between the results of numerical modelling and field data results can be observed since the field pole-dipole data give a better resolution image than the pole-pole data. The new device and technique makes it possible to better characterize the zones of preferential flow and to quantify the role of lithology and pedology in flood- generating hydrological processes.

The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle.

Gene expression mapping in neuropathic pain : molecular plasticity in nociceptors and superficial dorsal horn

RESUME : La douleur neuropathique est le résultat d'une lésion ou d'un dysfonctionnement du système nerveux. Les symptômes qui suivent la douleur neuropathique sont sévères et leur traitement inefficace. Une meilleure approche thérapeutique peut être proposée en se basant sur les mécanismes pathologiques de la douleur neuropathique. Lors d'une lésion périphérique une douleur neuropathique peut se développer et affecter le territoire des nerfs lésés mais aussi les territoires adjacents des nerfs non-lésés. Une hyperexcitabilité des neurones apparaît au niveau des ganglions spinaux (DRG) et de la corne dorsale (DH) de la moelle épinière. Le but de ce travail consiste à mettre en évidence les modifications moléculaires associées aux nocicepteurs lésés et non-lésés au niveau des DRG et des laminae I et II de la corne dorsale, là où l'information nociceptive est intégrée. Pour étudier les changements moléculaires liés à la douleur neuropathique nous utilisons le modèle animal d'épargne du nerf sural (spared nerve injury model, SNI) une semaine après la lésion. Pour la sélection du tissu d'intérêt nous avons employé la technique de la microdissection au laser, afin de sélectionner une sous-population spécifique de cellules (notamment les nocicepteurs lésés ou non-lésés) mais également de prélever le tissu correspondant dans les laminae superficielles. Ce travail est couplé à l'analyse à large spectre du transcriptome par puce ADN (microarray). Par ailleurs, nous avons étudié les courants électriques et les propriétés biophysiques des canaux sodiques (Na,,ls) dans les neurones lésés et non-lésés des DRG. Aussi bien dans le système nerveux périphérique, entre les neurones lésés et non-lésés, qu'au niveau central avec les aires recevant les projections des nocicepteurs lésés ou non-lésés, l'analyse du transcriptome montre des différences de profil d'expression. En effet, nous avons constaté des changements transcriptionnels importants dans les nocicepteurs lésés (1561 gènes, > 1.5x et pairwise comparaison > 77%) ainsi que dans les laminae correspondantes (618 gènes), alors que ces modifications transcriptionelles sont mineures au niveau des nocicepteurs non-lésés (60 gènes), mais important dans leurs laminae de projection (459 gènes). Au niveau des nocicepteurs, en utilisant la classification par groupes fonctionnels (Gene Ontology), nous avons observé que plusieurs processus biologiques sont modifiés. Ainsi des fonctions telles que la traduction des signaux cellulaires, l'organisation du cytosquelette ainsi que les mécanismes de réponse au stress sont affectés. Par contre dans les neurones non-lésés seuls les processus biologiques liés au métabolisme et au développement sont modifiés. Au niveau de la corne dorsale de la moelle, nous avons observé des modifications importantes des processus immuno-inflammatoires dans l'aire affectée par les nerfs lésés et des changements associés à l'organisation et la transmission synaptique au niveau de l'aire des nerfs non-lésés. L'analyse approfondie des canaux sodiques a démontré plusieurs changements d'expression, principalement dans les neurones lésés. Les analyses fonctionnelles n'indiquent aucune différence entre les densités de courant tétrodotoxine-sensible (TTX-S) dans les neurones lésés et non-lésés même si les niveaux d'expression des ARNm des sous-unités TTX-S sont modifiés dans les neurones lésés. L'inactivation basale dépendante du voltage des canaux tétrodotoxine-insensible (TTX-R) est déplacée vers des potentiels positifs dans les cellules lésées et non-lésées. En revanche la vitesse de récupération des courants TTX-S et TTX-R après inactivation est accélérée dans les neurones lésés. Ces changements pourraient être à l'origine de l'altération de l'activité électrique des neurones sensoriels dans le contexte des douleurs neuropathiques. En résumé, ces résultats suggèrent l'existence de mécanismes différenciés affectant les neurones lésés et les neurones adjacents non-lésés lors de la mise en place la douleur neuropathique. De plus, les changements centraux au niveau de la moelle épinière qui surviennent après lésion sont probablement intégrés différemment selon la perception de signaux des neurones périphériques lésés ou non-lésés. En conclusion, ces modulations complexes et distinctes sont probablement des acteurs essentiels impliqués dans la genèse et la persistance des douleurs neuropathiques. ABSTRACT : Neuropathic pain (NP) results from damage or dysfunction of the peripheral or central nervous system. Symptoms associated with NP are severe and difficult to treat. Targeting NP mechanisms and their translation into symptoms may offer a better therapeutic approach.Hyperexcitability of the peripheral and central nervous system occurs in the dorsal root ganglia (DRG) and the dorsal horn (DH) of the spinal cord. We aimed to identify transcriptional variations in injured and in adjacent non-injured nociceptors as well as in corresponding laminae I and II of DH receiving their inputs.We investigated changes one week after the injury induced by the spared nerve injury model of NP. We employed the laser capture microdissection (LCM) for the procurement of specific cell-types (enrichment in nociceptors of injured/non-injured neurons) and laminae in combination with transcriptional analysis by microarray. In addition, we studied functionál properties and currents of sodium channels (Nav1s) in injured and neighboring non-injured DRG neurons.Microarray analysis at the periphery between injured and non-injured DRG neurons and centrally between the area of central projections from injured and non-injured neurons show significant and differential expression patterns. We reported changes in injured nociceptors (1561 genes, > 1.5 fold, >77% pairwise comparison) and in corresponding DH laminae (618 genes), while less modifications occurred in non-injured nociceptors (60 genes) and in corresponding DH laminae (459 genes). At the periphery, we observed by Gene Ontology the involvement of multiple biological processes in injured neurons such as signal transduction, cytoskeleton organization or stress responses. On contrast, functional overrepresentations in non-injured neurons were noted only in metabolic or developmentally related mechanisms. At the level of superficial laminae of the dorsal horn, we reported changes of immune and inflammatory processes in injured-related DH and changes associated with synaptic organization and transmission in DH corresponding to non-injured neurons. Further transcriptional analysis of Nav1s indicated several changes in injured neurons. Functional analyses of Nav1s have established no difference in tetrodotoxin-sensitive (TTX-S) current densities in both injured and non-injured neurons, despite changes in TTX-S Nav1s subunit mRNA levels. The tetrodotoxin-resistant (TTX-R) voltage dependence of steady state inactivation was shifted to more positive potentials in both injured and non-injured neurons, and the rate of recovery from inactivation of TTX-S and TTX-R currents was accelerated in injured neurons. These changes may lead to alterations in neuronal electrogenesis. Taken together, these findings suggest different mechanisms occurring in the injured neurons and the adjacent non-injured ones. Moreover, central changes after injury are probably driven in a different manner if they receive inputs from injured or non-injured neurons. Together, these distinct and complex modulations may contribute to NP.

On the function of proton-gated ion channels ASICs and TRPV1 : a patch-clamp study

AbstractAcidosis is encountered during tissue inflammation and triggers pain in humans. H+-gated ion channels are expressed at high levels in sensory neurons of the peripheral nervous system. Ion channels from two different families present the required pH sensitivity to detect the acidosis associated with peripheral inflammation: Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) and the Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) channel.ASICs are members of the Degenerin/Epithelial Na+ Channel family of ion channels. Six ASIC subunits have been identified in mammals (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 and -4). ASICs form In-activated voltage-insensitive homo- or heterotrimeric Na+ channels. TRPV1 is a member of the TRP family of ion channels and forms non-selective cation channels that mediate a sustained current. TRPV1 is activated by H+, heat (T>43°C), lipids, capsaicin, voltage and other stimuli. A stimulus can increase TRPV1 response to a different stimulus. For example H+ can shift the capsaicin concentration dependence of TRPV1 to lower values. ASICs and TRPV1 have been shown to be involved in inflammatory pain. Using the patch-clamp technique, we studied different aspects of the function of ASICs and TRPV1 in the physiological context of pain.In the first part of this thesis, we characterize the effect of a temperature increase from 25 to 35°C on the function of ASICs and TRPV1 in transfected CHO cells and primary cultures of rat DRG sensory neurons. ASICs give rise to transient currents while TRPV1 mediates a sustained current. In addition, ASICs and TRPV1 respond to H+ with distinct pH dependences. We assess the relative contribution of ASICs and TRPV1 to H+-evoked electrical signaling in rat DRG neurons and we conclude that ASICs are the most important pH sensors in the pH range 7.4 to 6.0 at 35°C in sensory neurons.ASICs and TRPV1 are expressed in the epithelium lining the lumen of the bladder (urothelium). The Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) is a painful condition associated with a dysfunction of the urothelial barrier and with inflammation. In the second part of this thesis, we show that human urothelial cells -the cell line TEU2 and primary cultures of human bladder urothelium- express functional ASICs but no functional TRPV1 channels. In addition, we show that the levels of ASIC2 and ASIC3 mRNA are increased in the urothelium of patients suffering from BPS/IC. These data suggest that ASICs are involved in the pathology of BPS/IC.Finally, we demonstrate that APETx2 inhibits the sensory neuron specific voltage-dependent Na+ channel Nav1.8. APETx2 was previously shown to inhibit homo- or heterotrimeric ASIC3- containing channels with IC5o from 0.08 to 1 μΜ. We show that APETx2 also inhibits Nav1.8 with an ICsoof «2.6 μΜ. APETx2 reduces the maximal conductance and induces a depolarizing shift in the voltage dependence of activation of Nav1.8. In current-clamp experiments, APETx2 reduces the number of action potentials (APs) evoked by a current ramp. Nav1.8 mediates most of the current during the AP upstroke and has been shown to be an important mediator of inflammatory pain. The fact that APETx2 inhibits two ion channels involved in inflammatory pain suggests that APETx2 or derivatives may represent novel analgesic compounds.RésuméL'acidose tissulaire est observée durant l'inflammation et entraine la douleur chez l'humain. Des canaux ioniques activés par les protons (H+) sont fortement exprimés dans les neurones sensoriels du système nerveux périphérique. De ceux-ci, les Acid-Sensing Ion Channels [ASICs) et Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) présentent une sensibilité adéquate à l'acidité pour servir de détecteurs d'acidose.Les ASICs sont membres de la famille Degenerin/Epithelial Na* Channel. Six sous-unités ASIC ont été identifiées chez les mammifères (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 et -4). Les ASICs forment des canaux sélectifs au Na\ insensibles au voltage et activés par les H+. Les canaux fonctionnels sont des homo- ou hétérotrimères de sous-unités ASIC. TRPV1 est un membre de la famille TRP de canaux ioniques. Les canaux TRPV1 sont activés par les H+, la chaleur (T>43°Ç), les lipides, la capsaicine, le voltage et d'autres stimulus. L'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu non-sélectif. Un stimulus peut augmenter la réponse de TRPV1 à un autre stimulus. Les H+ peuvent, par exemple, induire un décalage vers des valeurs plus faibles de la courbe de dépendance à la concentration de TRPV1 pour la capsaicine. Il a été démontré que les ASICs et TRPV1 sont impliqués dans la douleur inflammatoire. En utilisant la technique du patch-clamp, nous avons étudié différents aspects de la fonction des ASICs et de TRPV1 dans des contextes associés à la douleur.Dans la première partie de cette thèse, nous caractérisons l'effet d'une augmentation de température de 25 à 35°C sur la fonction des canaux ASICs et TRPV1, dans des cellules CHO transfectées et dans des cultures primaires de neurones sensoriels (DRG) de rat. L'activation des ASICs entraine l'apparition d'un courant transitoire tandis que l'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu. De plus, les ASICs et TRPV1 possèdent des dépendances au pH différentes. Nous évaluons la contribution relative des ASICs et de TRPV1 au signalement électrique induit par les H+ et nous concluons que les ASICs sont les senseurs d'acidité les plus importants dans les neurones sensoriels, dans le domaine de pH de 7.4 à 6.0, à température corporelle.Les ASICs et TRPV1 sont exprimés dans l'épithélium recouvrant l'intérieur de la vessie (l'urothélium). Le Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) est une condition médicale douloureuse associée à une dysfonction de la barrière urothéliale et à une inflammation. Dans la seconde partie de cette thèse, nous démontrons que des cellules urothéliales (de la lignée cellulaire TEU2) et des cellules provenant de cultures primaires d'épithéliums de vessies humaines expriment des canaux ASIC fonctionnels mais pas de TRPV1 fonctionnels. De plus, nous montrons que le niveau d'expression de ASIC2 et -3 est augmenté dans l'urothélium de la vessie de patients souffrant de BPS/IC. Ces données suggèrent que les ASICs sont impliqués dans la pathologie BPS/IC.Pour finir, nous démontrons que la toxine APETx2 inhibe le canal spécifique aux neurones sensoriels Nav1.8, un membre de la famille des canaux sodiques dépendants du potentiel. Il a été démontré précédemment que la toxine APETx2 inhibe les canaux contenant une ou plusieurs sous-unités ASIC3 avec un ICso entre 0.08 et 1 μΜ. Nous montrons que la toxine APETx2 inhibe Nav1.8 avec un IC50 de «2.6 μΜ. La toxine APETx2 réduit la conductance maximale et induit un décalage de la dépendance au potentiel de Nav1.8 vers des valeurs plus positives. Dans des expériences de courant imposé sur des neurones sensoriels, la toxine APETx2 réduit le nombre de potentiels d'action induits par une rampe de courant. Nav1.8 est responsable de la majeure partie du courant durant la phase ascendante du potentiel d'action et a été démontré comme étant un médiateur important de la douleur inflammatoire. L'inhibition de deux types de canaux, impliqués dans la douleurs inflammatoire, par la toxine APETx2, suggère que cette dernière ou ses dérivés représentent des composés analgésiques prometteurs.

Quantitative integration of geophysical and hydraulic data : from the local towards the regional scale range

Des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine de l'intégration quantitative des données géophysique et hydrologique l'échelle locale. Cependant, l'extension à de plus grandes échelles des approches correspondantes constitue encore un défi majeur. Il est néanmoins extrêmement important de relever ce défi pour développer des modèles fiables de flux des eaux souterraines et de transport de contaminant. Pour résoudre ce problème, j'ai développé une technique d'intégration des données hydrogéophysiques basée sur une procédure bayésienne de simulation séquentielle en deux étapes. Cette procédure vise des problèmes à plus grande échelle. L'objectif est de simuler la distribution d'un paramètre hydraulique cible à partir, d'une part, de mesures d'un paramètre géophysique pertinent qui couvrent l'espace de manière exhaustive, mais avec une faible résolution (spatiale) et, d'autre part, de mesures locales de très haute résolution des mêmes paramètres géophysique et hydraulique. Pour cela, mon algorithme lie dans un premier temps les données géophysiques de faible et de haute résolution à travers une procédure de réduction déchelle. Les données géophysiques régionales réduites sont ensuite reliées au champ du paramètre hydraulique à haute résolution. J'illustre d'abord l'application de cette nouvelle approche dintégration des données à une base de données synthétiques réaliste. Celle-ci est constituée de mesures de conductivité hydraulique et électrique de haute résolution réalisées dans les mêmes forages ainsi que destimations des conductivités électriques obtenues à partir de mesures de tomographic de résistivité électrique (ERT) sur l'ensemble de l'espace. Ces dernières mesures ont une faible résolution spatiale. La viabilité globale de cette méthode est testée en effectuant les simulations de flux et de transport au travers du modèle original du champ de conductivité hydraulique ainsi que du modèle simulé. Les simulations sont alors comparées. Les résultats obtenus indiquent que la procédure dintégration des données proposée permet d'obtenir des estimations de la conductivité en adéquation avec la structure à grande échelle ainsi que des predictions fiables des caractéristiques de transports sur des distances de moyenne à grande échelle. Les résultats correspondant au scénario de terrain indiquent que l'approche d'intégration des données nouvellement mise au point est capable d'appréhender correctement les hétérogénéitées à petite échelle aussi bien que les tendances à gande échelle du champ hydraulique prévalent. Les résultats montrent également une flexibilté remarquable et une robustesse de cette nouvelle approche dintégration des données. De ce fait, elle est susceptible d'être appliquée à un large éventail de données géophysiques et hydrologiques, à toutes les gammes déchelles. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'évalue en détail la viabilité du réechantillonnage geostatique séquentiel comme mécanisme de proposition pour les méthodes Markov Chain Monte Carlo (MCMC) appliquées à des probmes inverses géophysiques et hydrologiques de grande dimension . L'objectif est de permettre une quantification plus précise et plus réaliste des incertitudes associées aux modèles obtenus. En considérant une série dexemples de tomographic radar puits à puits, j'étudie deux classes de stratégies de rééchantillonnage spatial en considérant leur habilité à générer efficacement et précisément des réalisations de la distribution postérieure bayésienne. Les résultats obtenus montrent que, malgré sa popularité, le réechantillonnage séquentiel est plutôt inefficace à générer des échantillons postérieurs indépendants pour des études de cas synthétiques réalistes, notamment pour le cas assez communs et importants où il existe de fortes corrélations spatiales entre le modèle et les paramètres. Pour résoudre ce problème, j'ai développé un nouvelle approche de perturbation basée sur une déformation progressive. Cette approche est flexible en ce qui concerne le nombre de paramètres du modèle et lintensité de la perturbation. Par rapport au rééchantillonage séquentiel, cette nouvelle approche s'avère être très efficace pour diminuer le nombre requis d'itérations pour générer des échantillons indépendants à partir de la distribution postérieure bayésienne. - Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending corresponding approaches beyond the local scale still represents a major challenge, yet is critically important for the development of reliable groundwater flow and contaminant transport models. To address this issue, I have developed a hydrogeophysical data integration technique based on a two-step Bayesian sequential simulation procedure that is specifically targeted towards larger-scale problems. The objective is to simulate the distribution of a target hydraulic parameter based on spatially exhaustive, but poorly resolved, measurements of a pertinent geophysical parameter and locally highly resolved, but spatially sparse, measurements of the considered geophysical and hydraulic parameters. To this end, my algorithm links the low- and high-resolution geophysical data via a downscaling procedure before relating the downscaled regional-scale geophysical data to the high-resolution hydraulic parameter field. I first illustrate the application of this novel data integration approach to a realistic synthetic database consisting of collocated high-resolution borehole measurements of the hydraulic and electrical conductivities and spatially exhaustive, low-resolution electrical conductivity estimates obtained from electrical resistivity tomography (ERT). The overall viability of this method is tested and verified by performing and comparing flow and transport simulations through the original and simulated hydraulic conductivity fields. The corresponding results indicate that the proposed data integration procedure does indeed allow for obtaining faithful estimates of the larger-scale hydraulic conductivity structure and reliable predictions of the transport characteristics over medium- to regional-scale distances. The approach is then applied to a corresponding field scenario consisting of collocated high- resolution measurements of the electrical conductivity, as measured using a cone penetrometer testing (CPT) system, and the hydraulic conductivity, as estimated from electromagnetic flowmeter and slug test measurements, in combination with spatially exhaustive low-resolution electrical conductivity estimates obtained from surface-based electrical resistivity tomography (ERT). The corresponding results indicate that the newly developed data integration approach is indeed capable of adequately capturing both the small-scale heterogeneity as well as the larger-scale trend of the prevailing hydraulic conductivity field. The results also indicate that this novel data integration approach is remarkably flexible and robust and hence can be expected to be applicable to a wide range of geophysical and hydrological data at all scale ranges. In the second part of my thesis, I evaluate in detail the viability of sequential geostatistical resampling as a proposal mechanism for Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods applied to high-dimensional geophysical and hydrological inverse problems in order to allow for a more accurate and realistic quantification of the uncertainty associated with the thus inferred models. Focusing on a series of pertinent crosshole georadar tomographic examples, I investigated two classes of geostatistical resampling strategies with regard to their ability to efficiently and accurately generate independent realizations from the Bayesian posterior distribution. The corresponding results indicate that, despite its popularity, sequential resampling is rather inefficient at drawing independent posterior samples for realistic synthetic case studies, notably for the practically common and important scenario of pronounced spatial correlation between model parameters. To address this issue, I have developed a new gradual-deformation-based perturbation approach, which is flexible with regard to the number of model parameters as well as the perturbation strength. Compared to sequential resampling, this newly proposed approach was proven to be highly effective in decreasing the number of iterations required for drawing independent samples from the Bayesian posterior distribution.

Sound objects in time, space and action

SOUND OBJECTS IN TIME, SPACE AND ACTIONThe term "sound object" describes an auditory experience that is associated with an acoustic event produced by a sound source. At cortical level, sound objects are represented by temporo-spatial activity patterns within distributed neural networks. This investigation concerns temporal, spatial and action aspects as assessed in normal subjects using electrical imaging or measurement of motor activity induced by transcranial magnetic stimulation (TMS).Hearing the same sound again has been shown to facilitate behavioral responses (repetition priming) and to modulate neural activity (repetition suppression). In natural settings the same source is often heard again and again, with variations in spectro-temporal and spatial characteristics. I have investigated how such repeats influence response times in a living vs. non-living categorization task and the associated spatio-temporal patterns of brain activity in humans. Dynamic analysis of distributed source estimations revealed differential sound object representations within the auditory cortex as a function of the temporal history of exposure to these objects. Often heard sounds are coded by a modulation in a bilateral network. Recently heard sounds, independently of the number of previous exposures, are coded by a modulation of a left-sided network.With sound objects which carry spatial information, I have investigated how spatial aspects of the repeats influence neural representations. Dynamics analyses of distributed source estimations revealed an ultra rapid discrimination of sound objects which are characterized by spatial cues. This discrimination involved two temporo-spatially distinct cortical representations, one associated with position-independent and the other with position-linked representations within the auditory ventral/what stream.Action-related sounds were shown to increase the excitability of motoneurons within the primary motor cortex, possibly via an input from the mirror neuron system. The role of motor representations remains unclear. I have investigated repetition priming-induced plasticity of the motor representations of action sounds with the measurement of motor activity induced by TMS pulses applied on the hand motor cortex. TMS delivered to the hand area within the primary motor cortex yielded larger magnetic evoked potentials (MEPs) while the subject was listening to sounds associated with manual than non- manual actions. Repetition suppression was observed at motoneuron level, since during a repeated exposure to the same manual action sound the MEPs were smaller. I discuss these results in terms of specialized neural network involved in sound processing, which is characterized by repetition-induced plasticity.Thus, neural networks which underlie sound object representations are characterized by modulations which keep track of the temporal and spatial history of the sound and, in case of action related sounds, also of the way in which the sound is produced.LES OBJETS SONORES AU TRAVERS DU TEMPS, DE L'ESPACE ET DES ACTIONSLe terme "objet sonore" décrit une expérience auditive associée avec un événement acoustique produit par une source sonore. Au niveau cortical, les objets sonores sont représentés par des patterns d'activités dans des réseaux neuronaux distribués. Ce travail traite les aspects temporels, spatiaux et liés aux actions, évalués à l'aide de l'imagerie électrique ou par des mesures de l'activité motrice induite par stimulation magnétique trans-crânienne (SMT) chez des sujets sains. Entendre le même son de façon répétitive facilite la réponse comportementale (amorçage de répétition) et module l'activité neuronale (suppression liée à la répétition). Dans un cadre naturel, la même source est souvent entendue plusieurs fois, avec des variations spectro-temporelles et de ses caractéristiques spatiales. J'ai étudié la façon dont ces répétitions influencent le temps de réponse lors d'une tâche de catégorisation vivant vs. non-vivant, et les patterns d'activité cérébrale qui lui sont associés. Des analyses dynamiques d'estimations de sources ont révélé des représentations différenciées des objets sonores au niveau du cortex auditif en fonction de l'historique d'exposition à ces objets. Les sons souvent entendus sont codés par des modulations d'un réseau bilatéral. Les sons récemment entendus sont codé par des modulations d'un réseau du côté gauche, indépendamment du nombre d'expositions. Avec des objets sonores véhiculant de l'information spatiale, j'ai étudié la façon dont les aspects spatiaux des sons répétés influencent les représentations neuronales. Des analyses dynamiques d'estimations de sources ont révélé une discrimination ultra rapide des objets sonores caractérisés par des indices spatiaux. Cette discrimination implique deux représentations corticales temporellement et spatialement distinctes, l'une associée à des représentations indépendantes de la position et l'autre à des représentations liées à la position. Ces représentations sont localisées dans la voie auditive ventrale du "quoi".Des sons d'actions augmentent l'excitabilité des motoneurones dans le cortex moteur primaire, possiblement par une afférence du system des neurones miroir. Le rôle des représentations motrices des sons d'actions reste peu clair. J'ai étudié la plasticité des représentations motrices induites par l'amorçage de répétition à l'aide de mesures de potentiels moteurs évoqués (PMEs) induits par des pulsations de SMT sur le cortex moteur de la main. La SMT appliquée sur le cortex moteur primaire de la main produit de plus grands PMEs alors que les sujets écoutent des sons associée à des actions manuelles en comparaison avec des sons d'actions non manuelles. Une suppression liée à la répétition a été observée au niveau des motoneurones, étant donné que lors de l'exposition répétée au son de la même action manuelle les PMEs étaient plus petits. Ces résultats sont discuté en termes de réseaux neuronaux spécialisés impliqués dans le traitement des sons et caractérisés par de la plasticité induite par la répétition. Ainsi, les réseaux neuronaux qui sous-tendent les représentations des objets sonores sont caractérisés par des modulations qui gardent une trace de l'histoire temporelle et spatiale du son ainsi que de la manière dont le son a été produit, en cas de sons d'actions.

Dynamics of the recruitment of lateral amygdala neurons following successive fear learning to different conditional stimuli

In fear conditioning, an animal learns to associate an unconditioned stimulus (US), such as a shock, and a conditioned stimulus (CS), such as a tone, so that the presentation of the CS alone can trigger conditioned responses. Recent research on the lateral amygdala has shown that following cued fear conditioning, only a subset of higher-excitable neurons are recruited in the memory trace. Their selective deletion after fear conditioning results in a selective erasure of the fearful memory. I hypothesize that the recruitment of highly excitable neurons depends on responsiveness to stimuli, intrinsic excitability and local connectivity. In addition, I hypothesize that neurons recruited for an initial memory also participate in subsequent memories, and that changes in neuronal excitability affect secondary fear learning. To address these hypotheses, I will show that A) a rat can learn to associate two successive short-term fearful memories; B) neuronal populations in the LA are competitively recruited in the memory traces depending on individual neuronal advantages, as well as advantages granted by the local network. By performing two successive cued fear conditioning experiments, I found that rats were able to learn and extinguish the two successive short-term memories, when tested 1 hour after learning for each memory. These rats were equipped with a system of stable extracellular recordings that I developed, which allowed to monitor neuronal activity during fear learning. 233 individual putative pyramidal neurons could modulate their firing rate in response to the conditioned tone (conditioned neurons) and/or non- conditioned tones (generalizing neurons). Out of these recorded putative pyramidal neurons 86 (37%) neurons were conditioned to one or both tones. More precisely, one population of neurons encoded for a shared memory while another group of neurons likely encoded the memories' new features. Notably, in spite of a successful behavioral extinction, the firing rate of those conditioned neurons in response to the conditioned tone remained unchanged throughout memory testing. Furthermore, by analyzing the pre-conditioning characteristics of the conditioned neurons, I determined that it was possible to predict neuronal recruitment based on three factors: 1) initial sensitivity to auditory inputs, with tone-sensitive neurons being more easily recruited than tone- insensitive neurons; 2) baseline excitability levels, with more highly excitable neurons being more likely to become conditioned; and 3) the number of afferent connections received from local neurons, with neurons destined to become conditioned receiving more connections than non-conditioned neurons. - En conditionnement de la peur, un animal apprend à associer un stimulus inconditionnel (SI), tel un choc électrique, et un stimulus conditionné (SC), comme un son, de sorte que la présentation du SC seul suffit pour déclencher des réflexes conditionnés. Des recherches récentes sur l'amygdale latérale (AL) ont montré que, suite au conditionnement à la peur, seul un sous-ensemble de neurones plus excitables sont recrutés pour constituer la trace mnésique. Pour apprendre à associer deux sons au même SI, je fais l'hypothèse que les neurones entrent en compétition afin d'être sélectionnés lors du recrutement pour coder la trace mnésique. Ce recrutement dépendrait d'un part à une activation facilité des neurones ainsi qu'une activation facilité de réseaux de neurones locaux. En outre, je fais l'hypothèse que l'activation de ces réseaux de l'AL, en soi, est suffisante pour induire une mémoire effrayante. Pour répondre à ces hypothèses, je vais montrer que A) selon un processus de mémoire à court terme, un rat peut apprendre à associer deux mémoires effrayantes apprises successivement; B) des populations neuronales dans l'AL sont compétitivement recrutées dans les traces mnésiques en fonction des avantages neuronaux individuels, ainsi que les avantages consentis par le réseau local. En effectuant deux expériences successives de conditionnement à la peur, des rats étaient capables d'apprendre, ainsi que de subir un processus d'extinction, pour les deux souvenirs effrayants. La mesure de l'efficacité du conditionnement à la peur a été effectuée 1 heure après l'apprentissage pour chaque souvenir. Ces rats ont été équipés d'un système d'enregistrements extracellulaires stables que j'ai développé, ce qui a permis de suivre l'activité neuronale pendant l'apprentissage de la peur. 233 neurones pyramidaux individuels pouvaient moduler leur taux d'activité en réponse au son conditionné (neurones conditionnés) et/ou au son non conditionné (neurones généralisant). Sur les 233 neurones pyramidaux putatifs enregistrés 86 (37%) d'entre eux ont été conditionnés à un ou deux tons. Plus précisément, une population de neurones code conjointement pour un souvenir partagé, alors qu'un groupe de neurones différent code pour de nouvelles caractéristiques de nouveaux souvenirs. En particulier, en dépit d'une extinction du comportement réussie, le taux de décharge de ces neurones conditionné en réponse à la tonalité conditionnée est resté inchangée tout au long de la mesure d'apprentissage. En outre, en analysant les caractéristiques de pré-conditionnement des neurones conditionnés, j'ai déterminé qu'il était possible de prévoir le recrutement neuronal basé sur trois facteurs : 1) la sensibilité initiale aux entrées auditives, avec les neurones sensibles aux sons étant plus facilement recrutés que les neurones ne répondant pas aux stimuli auditifs; 2) les niveaux d'excitabilité des neurones, avec les neurones plus facilement excitables étant plus susceptibles d'être conditionnés au son ; et 3) le nombre de connexions reçues, puisque les neurones conditionné reçoivent plus de connexions que les neurones non-conditionnés. Enfin, nous avons constaté qu'il était possible de remplacer de façon satisfaisante le SI lors d'un conditionnement à la peur par des injections bilatérales de bicuculline, un antagoniste des récepteurs de l'acide y-Aminobutirique.

Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Reversible acquired epileptic frontal syndrome and CSWS suppression in a child with congenital hemiparesis treated by hemispherotomy

Rapport de synthèse : Cette thèse a étudié en détail le cas d'un enfant souffrant d'une hémiplégie congénitale sur un infarctus prénatal étendu qui a développé une forme particulière d'épilepsie, le syndrome des pointes ondes continues du sommeil (POCS), associé à une régression mentale massive. Les caractéristiques de cette détérioration pointaient vers un dysfonctionnement de type frontal. Une chirurgie de l'épilepsie (hémisphérotomie) a, non seulement, permis la guérison de l'épilepsie mais une récupération rapide sur le plan comportemental et cognitif, suivie d'une reprise plus lente du développement, avec finalement à l'âge de 11 ans un niveau de déficience intellectuelle modérée. L'intérêt de cette étude réside dans le fait que l'enfant a pu être suivi prospectivement entre l'âge de 4.5 ans et 11 ans par des enregistrements électro-encéphalographiques (EEG) ainsi que des tests neuropsychologiques et des questionnaires de comportements sériés, permettant de comparer les périodes pré-, péri- et postopératoires, ce qui est rarement réalisable. Un enregistrement EEG de surface a même pu être effectué durant l'opération sur l'hémisphère non lésé, permettant de documenter l'arrêt des décharges épileptiformes généralisées dès la fin de l'intervention. L'hypothèse que nous avons- souhaité démontrer est que la régression comportementale et cognitive présentée par l'enfant après une période de développement précoce presque normale (retard de langage) était de nature épileptique : nous l'expliquons par la propagation de l'activité électrique anormale à partir de la lésion de l'hémisphère gauche vers les régions préservées, en particulier frontales bilatérales. L'hémisphérotomie a permis une récupération rapide en déconnectant l'hémisphère gauche lésé et épileptogène de l'hémisphère sain, qui a ainsi pu reprendre les fonctions cognitives les plus importantes. Les progrès plus lents par la suite et l'absence de rattrapage au delà d'un niveau de déficience mentale modérée sont plus difficiles à expliquer: on postule ici un effet de l'épilepsie sur le développement de réseaux neuronaux de l'hémisphère initialement non lésé, réseaux qui sont à la fois à un stade précoce de leur maturation et en cours de réorganisation suite à la lésion prénatale. La littérature sur les déficits cognitifs avant et après hemisphérotomie s'est surtout préoccupée du langage et de sa récupération possible. À notre connaissance, notre étude est la première à documenter la réversibilité d'une détérioration mentale avec les caractéristiques d'un syndrome frontal après hémisphérotomie. La chirurgie de l'épilepsie a offert ici une occasion unique de documenter le rôle de l'activité épileptique dans la régression cognitive puisqu'en interrompant brusquement la propagation de l'activité électrique anormale, on a pu comparer la dynamique du développement avant et après l'intervention. La mise en relation des multiples examens cliniques et EEG pratiqués chez un seul enfant sur plusieurs années a permis d'obtenir des informations importantes dans la compréhension des troubles cognitifs et du comportement associés aux épilepsies focales réfractaires. ABSTRACT : A boy with a right congenital hemiparesis due to a left pre-natal middle cerebral artery infarct developed focal epilepsy at 33 months and then an insidious and subsequently more rapid, massive cognitive and behavioural regression with a frontal syndrome between the ages of 4 and 5 years with continuous spike-waves during sleep (CSWS) on the EEG. Both the epilepsy and the CSWS were immediately suppressed by hemispherotomy at the age of 5 years and 4months. A behavioural-cognitive follow-up prior to hemispheratomy, an per-operative EEG and corticography and serial post-operative neuropsychological assessments were performed until the age of 11 years. The spread of the epileptic activity to the "healthy" frontal region was the cause of the reversible frontal syndrome. A later gradual long-term but incomplete cognitive recovery, with moderate mental disability was documented. T9ris outcome is probably explained by another facet of the epilepsy, namely the structural effects of prolonged epileptic dischazges in rapidly developing cerebral networks which are, at the same time undergoing the reorganization imposed by a unilateral early hemispheric lesion. Group studies on the outcome of children before and after hemispherectomy using only single IQ measures, pre- and postoperatively, may miss particular epileptic cognitive dysfunctions as they are likely to be different from case to case. Such detailed and rarely available complementary clinical and EEG data obtained in a single case at different time periods in relation to the epilepsy, including peroperative electrophysiological findings, may help to understand the different cognitive deficits and recovery profiles and the limits of full cognitive recovery.

L'arrêt cardio-respiratoire (ACR) au cabinet médical est-il une réalité et y a-t-il nécessité de s'équiper d'un défribillateur semi-automatique (DSA)?

Introduction: Cette étude a pour but de déterminer la fréquence de survenue de l'arrêt cardio-respiratoire (ACR) au cabinet médical qui constitue un élément de décision quant à la justification de la présence d'un défibrillateur semi-automatique (DSA) au cabinet médical. Matériel et Méthode: Analyse rétrospective des fiches d'intervention pré-hospitalière des ambulances et des SMUR (Service Mobile d'Urgence et de Réanimation) du canton de Vaud (650'000 habitants) entre 2003 et 2006 qui relataient un ACR. Les variables suivantes ont été analysées: chronologie de l'intervention, mesures de réanimation cardio-pulmonaire (RCP) appliquées, diagnostic présumé, suivi à 48 heures. Résultats: 17 ACR (9 _, 8 _) ont eu lieu dans les 1655 cabinets médicaux du canton de Vaud en 4 ans sur un total de 1753 ACR extrahospitaliers, soit 1% de ces derniers. Tous ont motivés une intervention simultanée d'une ambulance et d'un SMUR. L'âge moyen était de 70 ans. Le délai entre l'ACR et l'arrivée sur site d'un DSA était en moyenne de plus de 10 minutes (min-max: 4-25 minutes). Dans 13 cas évaluables, une RCP était en cours à l'arrivée des renforts, mais seulement 7 étaient qualifiées d'efficaces. Le rythme initial était une fibrillation ventriculaire (FV) dans 8 cas et ont tous reçu un choc électrique externe (CEE), dont 1 avant l'arrivée des secours administré dans un cabinet équipé d'un DSA. Le diagnostic était disponible pour 9 cas: 6 cardiopathies, 1 embolie pulmonaire massive, 1 choc anaphylactique et 1 tentamen médicamenteux. Le devenir de ces patients a été marqué par 6 décès sur site, 4 décès à l'admission à l'hôpital et 7 vivants à 48 heures. Les données ne permettent pas d'avoir un suivi ni à la sortie de l'hôpital ni ultérieurement. Conclusions: Bien que la survenue d'un ACR soit très rare au cabinet médical, il mérite une anticipation particulière de la part du médecin. En effet, le délai d'arrivée des services d'urgences nécessite la mise en oeuvre immédiate de mesures par le médecin. En outre, comme professionnel de la santé, il se doit d'intégrer la chaîne de survie en procédant à une alarme précoce du 144 et initier des gestes de premier secours («Basic Life Support»). La présence d'un DSA pourrait être envisagée en fonction notamment de l'éloignement de secours professionnels équipés d'un DSA.

Regulation of the cardiac voltage-gated sodium channel Nav1.5 : regulation of Nav1.5 by ubiquitin-protein ligases of the Nedd4/Nedd4-like family and characterisation of two novel mutations in the gene encoding Nav1.5 (SCN5A) implicated in the Brugada syndrome triggered by fever

Abstract: The genesis of the cardiac action potential, which accounts for the cardiac contraction, is due to the sodium current INa mediated by the voltage-gated sodium channel Nav1.5. Several cardiac arrhythmias such as the Brugada syndrome are known te be caused by mutations in SCN5A, the gene encoding Nav1.5. Studies of these mutations allowed a better understanding of biophysical and functional properties of Nav1.5. However, only few investigations have been performed in order to understand the regulation of Nav1.5. During my thesis, I investigated different mechanisms of regulation of Nav1.5 using a heterologous expression system, HEK293 cells, coupled with a technique of sodium current recording: the patch clamp in whole cell configuration. In previous studies it has been shown that an enzyme of the Nedd4 family (Nedd4-2) regulates an epithelial sodium channel via the interaction with PY-motifs present in the latter. Interestingly, Nav1.5 contains a similar PY-motif, which motivated us to study the role of Nedd4-2 expressed in heart for the regulation of Nav1.5. In a second study, we investigated the implication of two Nav1.5 mutants, which were either less functional or net functional (Nav1.5 R535X and Nav1.5 L325R respectively) implied in the genesis of the Brugada syndrome by fever. Our results established two mechanisms implied in Nav1.5 regulation. The first one implies that following the interaction between the PY-motif of Nav1.5 and Nedd4- 2 Nav1.5 is ubiquitinated by Nedd4-2. This ubiquitination leads to the internalization of Nav1 .5. The second mechanism is a phenomenon called the "dominant negative" effect of Nav1.5 L325R on Nay1.5 where the decrease of 'Na is potentially due to the retention of Nav1.5 by Nav1.5 L325R in an undefined intracellular compartment. These studies defined two mechanisms of Nav1.5 regulation, which could play an important role for the genesis of cardiac arrhythmias where molecular processes are still poorly understood. Résumé La genèse du potentiel d'action cardiaque, permettant la contraction cardiaque, est due au courant sodique INa issu des canaux sodiques cardiaques dépendants du voltage Nav1.5. Nombreuses arythmies cardiaques telles que le syndrome de Brugada sont connues pour être liées à des mutations du gène SCN5A, codant pour Nav1.5. L'étude de ces mutations a permis une meilleure compréhension des propriétés structurelles et fonctionnelles de Nav1.5 et leurs implications dans la genèse de ces pathologies. Néanmoins peu d'études ont été menées afin de comprendre les mécanismes de régulation de Nav1.5. Mon travail de thèse a consisté à étudier des mécanismes de régulation de Nav1.5 en utilisant un système d'expression hétérologue, les cellules HEK293, couplé à une technique d'enregistrement des courants sodiques, le "patch clamp" en configuration cellule entière. La présence sur Nav1.5 d'un motif-PY similaire à ceux nécessaires pour la régulation d'un canal épithélial sodique par une enzyme de la famille de Nedd4, nous a amenée à étudier le rôle de ces ubiquitine-ligases, en particulier Nedd4-2, dans la régulation de Nav1.5. La seconde étude s'est intéressée aux conséquences de deux mutations de SCN5A codant pour deux mutants peu ou pas fonctionnels (Nav1.5 L325R et Nav1.5 R535X respectivement) retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par un état fébrile. Nos résultats ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de Nav1.5 L'un par Nedd4-2 qui implique rubiquitination de Nav1.5 par cette ligase suite à l'interaction entre le motif-PY de Nav1.5 et Nedd4-2. Cette modification déclenche l'internalisation du canal impliquée dans la diminution d'INa. Le second mécanisme quant à lui est un effet "dominant négatif" de Nav1.5 L325R sur Nav1.5 aboutissant à une diminution d'INa suite à la séquestration intracellulaire potentielle de Nav1.5 par Nav1.5 L325R. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de Nav1.5 pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des arythmies cardiaques dont les processus moléculaires au sein des cardiomyocytes, impliquant des modifications du courant sodiques, sont encore mal compris. Résumé destiné à un large public La dépolarisation électrique de la membrane des cellules cardiaques permet la contraction du coeur. La génèse de cette activité électrique est due au courant sodique issu d'un type de canal à sodium situé dans la membrane des cellules cardiaques. De nombreuses pathologies provoquant des troubles du rythme cardiaque sont issues de mutations du gène qui code pour ce canal à sodium. Ces canaux mutants, entrainant diverses pathologies cardiaques telles que le syndrome de Brugada, ont été largement étudiées. Néanmoins, peu de travaux ont été réalisés sur les mécanismes de régulation de ce canal à sodium non muté. Mon travail de thèse a consisté à étudier certains des mécanismes de régulation de ce canal à sodium en utilisant une technique permettant l'enregistrement des courants sodiques issus de l'expression de ces canaux à sodium à la membrane de cellules mammifères. La présence sur ce canal à sodium d'une structure spécifique, similaire à celle nécessaire pour la régulation d'un canal épithélial à sodium par une enzyme appelée Nedd4-2, nous a amenée à étudier le rôle de cette enzyme dans la régulation de ce canal à sodium. La seconde étude s'est intéressée aux rôles de deux mutations du gène codant pour ce canal à sodium retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par la fièvre. Nos résultats nous ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium diminuant le courant sodique l'un par l'action de l'enzyme Nedd4-2, suite à son interaction avec ce canal, qui modifie ce canal à sodium (ubiquitination) diminuant de ce fait la densité membranaire du canal. L'autre par un mécanisme suggérant un effet négatif de l'un des canaux mutants sur l'expression à la membrane du canal à sodium non muté. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des troubles du rythme cardiaques dont les mécanismes cellulaires sont encore incompris.

Étude de la fonction de GLUT8 sur un modèle de souris "knock-out"

Résumé GLUT8 est la première des nouvelles isoformes des GLUT récemment identifiés. Il est fortement exprimé dans les testicules et plus faiblement dans les blastocystes, le cerveau, particulièrement au niveau de l'hippocampe, et le coeur. En conditions basales, il est retenu dans un compartiment intracellulaire. Si on l'exprime en surface cellulaire, par la mutation du motif d'internalisation dileucine, il transporte le glucose avec une bonne affinité. Dans le but d'étudier sa fonction au niveau de l'organisme, nous avons créé un modèle de knock out conditionnel, en entourant le dernier exon du gène de GLUT8 par deux sites loxP. En croisant nos souris avec une souche de souris transgénique exprimant la cre-recombinase dans les cellules de la lignée germinale, nous avons généré un modèle de souris portant la délétion totale de GLUT8 de manière constitutionnelle. Les statistiques effectuées sur les premières naissances indiquent qu'une partie des souris knock out ne survit pas, suggérant un rôle de GLUT8 au niveau du développement embryonnaire. Les souris qui ont survécu ne présentent toutefois pas d'anomalies durant la croissance et sont fertiles. Elles ont des taux de glucose et d'insuline sanguins normaux. Au niveau cérébral, la structure de l'hippocampe n'est pas modifiée par la suppression de GLUT8, cependant, les souris GLUT8-/- présentent une prolifération cellulaire augmentée dans le gyrus denté. Cette augmentation de division cellulaire pourrait être la réponse adaptée à une éventuelle augmentation de la mort cellulaire au niveau de l'hippocampe. Elles ne semblent toutefois pas présenter de défauts cognitifs majeurs dans le bassin de Morris en conditions normales. Toutefois, en conditions de jeûne, elles tendent à une meilleure mémorisation à court terme. Les études morphologiques et histologiques au niveau cardiaque n'ont pas révélé de d'hypertrophie au niveau ventriculaire. La stimulation de la contraction à l'isoprotérénol n'a pas mis en évidence de défaut d'adaptation des coeurs GLUT8-/-. Cependant l'analyse fonctionnelle par électrocardiogramme, en conditions basales, a montré une augmentation de la durée de l'onde P, suggérant un défaut dans la dépolarisation des oreillettes. Nos résultats indiquent que GLUT8 ne joue pas un rôle prédominant dans la survie et la fonction basale des souris. Il pourrait jouer un rôle plus important dans des situations stressantes pour l'organisme, comme l'hypoglycémie ou les conditions d'ischémie qui induiraient son expression à la membrane plasmique et stimuleraient le captage du glucose. Abstract GLUT8 was the first of the recently identified isoform of the GLUT family proteins. It is strongly expressed in the testis. It is also found at a lower level in the blastocyst, in heart and in the brain. Under basal conditions, it is retained in the intracellular compartment, but when the internalization motif dileucine is mutated, GLUT8 translocates to the plasma membrane and transports glucose with a relatively high affinity. To study its function in vivo, we created a conditional knock out mouse model. To do so, we targeted the last exon of the GLUT8 gene with two loxP sites. We then crossed these mice with a transgenic model expressing the cre-recombinase in the gem' line to generate a constitutional total knock out mouse. The statistics made on the first breedings showed that some of the knock out mice do not survive, suggesting a role of GLUT8 in the embryonic development. Conversely mice who survive do not show developmental defects and they are fertile with normal glucose and insulin blood levels. In the brain, the general structure of the hippocampus is not modified by the deletion of GLUT8. However, GLUT8-/- mice show an increase in the cell proliferation in the dentate gyms. This cell proliferation could be due to an increase in the cell death in the hippocampus. When tested in the morris water maze, these mice do not show any cognitive defects in the basal conditions, but they have a tendency to learn better in fasted conditions. The morphological and histological studies made at the heart level did not show any cardiac hypertrophy in the ventricles. The stimulation with isoproterenol did not show any adaptation defects in the GLUT8-/- hearts. However, the functional analysis made in basal conditions with the electrocardiogram showed an increase in the P wave length, suggesting a defect in the atrial depolarization in the knock out mice. Overall, our results show that GLUT8 does not play an important role in the basal general functions in the mice, but might play a more important role during whole organism stress. Hypoglycaemia or ischemia, for example could stimulate the GLUT8 translocation to the plasma membrane to increase specifically glucose uptake. Résumé tout public Les différentes cellules de l'organisme possèdent des propriétés particulières, qui leur permettent de maintenir les fonctions de l'organe auquel elles appartiennent. La membrane plasmique qui les délimite sélectionne les substances qui vont pénétrer à l'intérieur de la cellule et permet ainsi de maintenir un environnement interne constant. Le glucose est une source d'énergie importante pour la cellule et doit pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cellule. Il utilise pour cela des protéines de transport qui le feront passer de part et d'autre de la membrane. Les protéines de la famille des GLUT (pour GLUcose Transporter) possèdent cette capacité. GLUT8 est un membre de la famille des GLUT identifié récemment. Il possède la capacité de transporter le glucose quand il se présente à la surface de la cellule. Il est principalement exprimé dans les testicules, dans le coeur et le cerveau et durant le développement embryonnaire. Son rôle n'est toutefois pas encore défini. Ce travail consiste à étudier la fonction de GLUT8 au niveau de l'organisme entier. Nous avons créé un modèle de souris dans lesquelles l'expression de GLUT8 a été supprimée pour mettre en évidence son importance dans le maintien de l'intégrité des fonctions du corps. Les observations effectuées sur les souris qui n'expriment plus GLUT8 nous indiquent que leurs cellules prolifèrent plus vite au niveau de l'hippocampe. L'hippocampe est une structure située dans le cerveau qui est impliquée dans les phénomènes d'apprentissage. Les souris qui ont été testées dans des tâches d'apprentissage n'ont malgré cela pas montré une amélioration de la mémorisation. Dans le coeur, la suppression de GLUT8 semble présenter un défaut quand on mesure l'activité électrique du coeur par électrocardiogramme. Toutefois, ils fonctionnent normalement et ne présentent pas de défauts morphologiques en conditions normales. Les expériences effectuées sur les modèles de souris indiquent que GLUT8 ne jouerait pas un rôle prédominant dans le fonctionnement normal du corps. Il pourrait exercer sa fonction dans des situations plus particulières comme l'hypoglycémie, où il permettrait une meilleure capacité à transporter le glucose dans les cellules.

Physiopathologie du coeur embryonnaire soumis à l'anoxie-réoxygénation: rôle protecteur du NO et des canaux KATP

RESUME Introduction : Dans le coeur adulte, l'ischémie et la reperfusion entraînent des perturbations électriques, mécaniques, biochimiques et structurales qui peuvent causer des dommages réversibles ou irréversibles selon la sévérité de l'ischémie. Malgré les récents progrès en cardiologie et en chirurgie foetales, la connaissance des mécanismes impliqués dans la réponse du myocarde embryonnaire à un stress hypoxique transitoire demeure lacunaire. Le but de ce travail a donc été de caractériser les effets chrono-, dromo- et inotropes de l'anoxie et de la réoxygénation sur un modèle de coeur embryonnaire isolé. D'autre part, les effets du monoxyde d'azote (NO) et de la modulation des canaux KATP mitochondriaux (mito KATP) sur la récupération fonctionnelle postanoxique ont été étudiés. La production myocardique de radicaux d'oxygène (ROS) et l'activité de MAP Kinases (ERK et JNK) impliquées dans la signalisation cellulaire ont également été déterminées. Méthodes : Des coeurs d'embryons de poulet âgés de 4 jours battant spontanément ont été placés dans une chambre de culture puis soumis à une anoxie de 30 min suivie d'une réoxygénation de 60 min. L'activité électrique (ECG), les contractions de l'oreillette, du ventricule et du conotroncus (détectées par photométrie), la production de ROS (mesure de la fluorescence du DCFH) et l'activité kinase de ERK et JNK dans le ventricule ont été déterminées au cours de l'anoxie et de la réoxygénation. Les coeurs ont été traités avec un bloqueur des NO synthases (L-NAME), un donneur de NO (DETA-NONOate), un activateur (diazoxide) ou un inhibiteur (5-HD) des canaux mitoKATP un inhibiteur non-spécifique des PKC (chélérythrine) ou un piégeur de ROS (MPG). Résultats : L'anoxie et la réoxygénation entraînaient des arythmies (essentiellement d'origine auriculaire) semblables à celles observées chez l'adulte, des troubles de la conduction (blocs auriculo-ventriculaires de 1er, 2ème et 3ème degré) et un ralentissement marqué du couplage excitation-contraction (E-C) ventriculaire. En plus de ces arythmies, la réoxygénation déclenchait le phénomène de Wenckelbach, de rares échappements ventriculaires et une sidération myocardique. Aucune fibrillation, conduction rétrograde ou activité ectopique n'ont été observées. Le NO exogène améliorait la récupération postanoxique du couplage E-C ventriculaire alors que L'inhibition des NOS la ralentissait. L'activation des canaux mito KATP augmentait la production mitochondriale de ROS à la réoxygénation et accélérait la récupération de la conduction (intervalle PR) et du couplage E-C ventriculaire. La protection de ce couplage était abolie par le MPG, la chélérythrine ou le L-NAME. Les fonctions électrique et contractile de tous les coeurs récupéraient après 30-40 min de réoxygénation. L'activité de ERK et de JNK n'était pas modifiée par L'anoxie, mais doublait et quadruplait, respectivement, après 30 min de réoxygénation. Seule l'activité de JNK était diminuée (-60%) par l'activation des canaux mitoKATP. Cet effet inhibiteur était partiellement abolit par le 5-HD. Conclusion: Dans le coeur immature, le couplage E-C ventriculaire semble être un paramètre particulièrement sensible aux conditions d'oxygénation. Sa récupération postanoxique est améliorée par l'ouverture des canaux mitoKATP via une signalisation impliquant les ROS Ies PKC et le NO. Une réduction de l'activité de JNK semble également participer à cette protection. Nos résultats suggèrent que les mitochondries jouent un rôle central dans la modulation des voies de signalisation cellulaire, en particulier lorsque les conditions métaboliques deviennent défavorables. Le coeur embryonnaire isolé représente donc un modèle expérimental utile pour mieux comprendre les mécanismes associés à une hypoxie in utero et pour améliorer les stratégies thérapeutiques en cardiologie et chirurgie foetales. ABSTRACT Physiopathology of the anoxic-reoxygenated embryonic heart: Protective role of NO and KATP channel Aim: In the adult heart, the electrical, mechanical, biochemical and structural disturbances induced by ischemia and reperfusion lead to reversible or irreversible damages depending on the severity and duration of ischemia. In spite of recent advances in fetal cardiology and surgery, little is known regarding the cellular mechanisms involved in hypoxia-induced dysfunction in the developing heart. The aim of this study was to precisely characterize the chrono-, dromo- and inotropic disturbances associated with anoxia-reoxygenation in an embryonic heart model. Furthermore, the roles that nitric oxide (NO), reactive oxygen species (ROS), mitochondrial KATP, (mito KATP) channel and MAP Kinases could play in the stressed developing heart have been investigated. Methods: Embryonic chick hearts (4-day-old) were isolated and submitted in vitro to 30 min anoxia followed by 60 min reoxygenation. Electrical (ECG) and contractile activities of atria, ventricle and conotruncus (photometric detection), ROS production (DCFH fluorescence) and ERK and JNK activity were determined in the ventricle throughout anoxia-reoxygenation. Hearts were treated with NO synthase inhibitor (L-NAME), NO donor (DETA-NONOate), mitoKATP channel opener (diazoxide) or blocket (5-HD), PKC inhibitor (chelerythrine) and ROS scavenger (MPG). Results: Anoxia and reoxygenation provoked arrhythxnias (mainly originating from atrial region), troubles of conduction (st, 2nd, and 3rd degree atrio-ventricular blocks) and disturbances of excitation-contraction (E-C) coupling. In addition to these types of arrhythmias, reoxygenation triggered Wenckebach phenomenon and rare ventricular escape beats. No fibrillations, no ventricular ectopic beats and no electromechanical dissociation were observed. Myocardial stunning was observed during the first 30 min of reoxygenation. All hearts fully recovered their electrical and mechanical functions after 30-40 min of reoxygenation. Exogenous NO improved while NOS inhibition delayed E-C coupling recovery. Mito KATP, channel opening increased reoxygenation-induced ROS production and improved E-C coupling and conduction (PR) recovery. MPG, chelerythrine or L-NAME reversed this effect. Reoxygenation increased ERK and JNK activities land 4-fold, respectively, while anoxia had no effect. MitoKATP channel opening abolished the reoxygenation-induced activation of JNK but had no effect on ERK activity. This inhibitory effect was partly reversed by mitoKATP channel blocker but not by MPG. Conclusion: In the developing heart, ventricular E-C coupling was found to be specially sensitive to hypoxia-reoxygenation and its postanoxic recovery was improved by mitoKATP channel activation via a ROS-, PKC- and NO-dependent pathway. JNK inhibition appears to be involved in this protection. Thus, mitochondria can play a pivotal role in the cellular signalling pathways, notably under critical metabolic conditions. The model of isolated embryonic heart appears to be useful to better understand the mechanisms underlying the myocardial dysfunction induced by an in utero hypoxia and to improve therapeutic strategies in fetal cardiology and surgery.

Remodelage des canaux potassiques dépendants de l'ATP lors de l'hypertrophie et de l'insuffisance cardiaque

RESUME :Introduction. Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans les pays développés et l'insuffisance cardiaque (IC) est la plus fréquente. Suite à un infarctus, le coeur des patients subit un remodelage ventriculaire pouvant évoluer vers un état d'IC. L'IC se définit comme un état dans lequel le coeur n'est plus capable d'approvisionner suffisamment les organes et cet état s'accompagne souvent de troubles du rythme cardiaque. Le remodelage ventriculaire touche de nombreux gènes codant à la fois pour les voies métaboliques et pour des canaux ioniques favorisant ainsi l'apparition des arythmies responsables de la mort subite des patients atteints d'IC. Comprendre ce passage entre remodelage et IC est crucial afin de pouvoir un jour prévenir l'IC et les complications médicales qui l'accompagnent. Nous nous sommes intéressés aux canaux potassiques dépendants de l'ATP (KATP) car ces canaux ont la capacité de coupler le métabolisme de la cellule à son activité électrique. En effet, les canaux KATP s'ouvrent quand la charge énergétique (rapport ATP/ ADP) de la cellule chute. Dans les cardiomyocytes, l'ouverture des KATP induit une hyperpolarisation de la membrane cellulaire ce qui diminue indirectement la surcharge calcique et de ce fait préserve la cellule. Les canaux KATp sont formés de 4 sous-unités Kir6.x (Kir6.1 ou Kir6.2) formant le pore du canal associées à 4 sous-unités régulatrices SUR. Les propriétés électrophysiologiques ainsi que la sensibilité pharmacologique des canaux KATP dépendent de leur composition et seuls les canaux KATP formés par la sous-unité Kirô.l sont activés par le diazoxyde.Méthodes et résultats. Nous avons d'abord montré dans un modèle in vivo d'IC chez le rat adulte que les sous-unités Kir6.1 et SUR sont surexprimées dans ces conditions pathologiques. Par ailleurs, les cardiomyocytes issus des coeurs infarcis deviennent sensibles au diazoxyde reflétant la surexpression de Kir6.1. Les potentiels d'action qui sont prolongés dans l'IC et qui sont à l'origine d'arythmies majeures sont normalisés par l'ouverture des canaux KATp induite par le diazoxyde. Ainsi, l'ouverture pharmacologique des canaux KATp contribuerait à la cardio-protection. Dans une seconde partie, nous avons déterminé quels étaient les facteurs de transcription responsables de ce changement d'expression des sous-unités formant les KATP. Dans notre modèle, nous avons pu montrer que la surexpression de Kirô.l est due aux facteurs de transcription Fox03 et FoxF2 qui est aussi responsable de la surexpression des sous-unités SUR. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons mis au point un modèle d'IC in vitro en cultivant les cardiomyocytes de rats adultes en présence d'angiotensine II (Angll) ou de TNFa. Ce modèle expérimental nous a non seulement permis de mettre en relation l'importance de L'AnglI et du TNFa sur le remodelage des canaux KATP mais aussi de développer un modèle in vitro présentant les mêmes caractéristiques que le modèle in vivo concernant le remodelage des KATP lors de l'IC. Ce dernier modèle expérimental ouvre des perspectives afin de mieux caractériser les voies de signalisation impliquées dans le remodelage des canaux KATp lors de l'IC.Conclusion. Les canaux KATp subissent un remodelage lors de l'IC et les résultats obtenus montrent le potentiel cardio-protecteur de ces canaux.ABSTRACT :Background and aim. Cardiovascular disease is the leading cause of death in developed countries and heart failure (HF) is the most common. Following myocardial infarction, the heart of the patient undergoes ventricular remodeling which may evolve toward a state of HF. HF is defined as a state in which heart is unable to supply enough blood to organs and this state is often accompanied by cardiac arrhythmias. Ventricular remodeling involves many genes coding for both metabolic enzymes and ion channels. Changes in ion channel expression can promote arrhythmias responsible for sudden death in patients with HF. A better understanding of the transition between remodeling and HF is crucial in order to prevent the complications associated to HF We were interested in ATP-dependent potassium channels (KATp) because they couple cell metabolism to electrical activity of the cell. Indeed, KATP channels open when the energy charge (ratio of ATP / ADP) of the cell collapses. In cardiomyocytes, the opening of KATP channels induces hyper- polanzation of the cell membrane which reduces calcium overload and thereby protects the cell. KATp channels are composed by 4 Kir6.x subumts (Kir6.1 or Kir6.2) forming the pore channel associated with 4 regulatory subunits SUR. The electrophysiological properties as well as pharmacological sensitivity of KATp channels depend on their composition and only KATP channels formed by Kir6.1 subunit are activated by diazoxide.Methods and results. Firstly, using an in vivo model of HF in adult rats, we showed that Kir6.1 and SUR subunits are overexpressed in HF. In addition, cardiomyocytes from post-infarction hearts became sensitive to diazoxide reflecting the overexpression of the Kir6.1 subunit. The opening of KATP by diazoxide tended to reduce the action potential duration (APD) which is extended in HF. This increase in APD is known to be a major source of arrhythmias during HF. Therefore, the opening of KATP channels by diazoxide would be cardio-protective. Secondly, we wanted to determine which transcription factors were responsible for this KATP remodeling. In our model of HF, we showed that overexpression of Kir6.1 is due to the transcription factors Fox03 and FOXF2 which is also responsible for SUR subunits overexpression. Thirdly, we developed an in vitro model of HF by cultivation of adult rat cardiomyocytes in the presence of angiotensin II (Angll) or TNFa. This model is very interesting not only because it underlines the importance of Angll and TNFa in KATp remodeling but also because this in vitro model presents the same KATP remodeling as the in vivo model of HF. These findings show that our in vitro model of HF opens up many possibilities to investigate more precisely the signaling pathways involved in remodeling of the KATP channels in HF.Conclusion. KATP channels undergo remodeling during HF and our results show the cardio¬protective potential of KATP channels in this disease.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.