Brain surface non-rigid registration in auditory processing

Résumé: Le développement rapide de nouvelles technologies comme l'imagerie médicale a permis l'expansion des études sur les fonctions cérébrales. Le rôle principal des études fonctionnelles cérébrales est de comparer l'activation neuronale entre différents individus. Dans ce contexte, la variabilité anatomique de la taille et de la forme du cerveau pose un problème majeur. Les méthodes actuelles permettent les comparaisons interindividuelles par la normalisation des cerveaux en utilisant un cerveau standard. Les cerveaux standards les plus utilisés actuellement sont le cerveau de Talairach et le cerveau de l'Institut Neurologique de Montréal (MNI) (SPM99). Les méthodes de recalage qui utilisent le cerveau de Talairach, ou celui de MNI, ne sont pas suffisamment précises pour superposer les parties plus variables d'un cortex cérébral (p.ex., le néocortex ou la zone perisylvienne), ainsi que les régions qui ont une asymétrie très importante entre les deux hémisphères. Le but de ce projet est d'évaluer une nouvelle technique de traitement d'images basée sur le recalage non-rigide et utilisant les repères anatomiques. Tout d'abord, nous devons identifier et extraire les structures anatomiques (les repères anatomiques) dans le cerveau à déformer et celui de référence. La correspondance entre ces deux jeux de repères nous permet de déterminer en 3D la déformation appropriée. Pour les repères anatomiques, nous utilisons six points de contrôle qui sont situés : un sur le gyrus de Heschl, un sur la zone motrice de la main et le dernier sur la fissure sylvienne, bilatéralement. Evaluation de notre programme de recalage est accomplie sur les images d'IRM et d'IRMf de neuf sujets parmi dix-huit qui ont participés dans une étude précédente de Maeder et al. Le résultat sur les images anatomiques, IRM, montre le déplacement des repères anatomiques du cerveau à déformer à la position des repères anatomiques de cerveau de référence. La distance du cerveau à déformer par rapport au cerveau de référence diminue après le recalage. Le recalage des images fonctionnelles, IRMf, ne montre pas de variation significative. Le petit nombre de repères, six points de contrôle, n'est pas suffisant pour produire les modifications des cartes statistiques. Cette thèse ouvre la voie à une nouvelle technique de recalage du cortex cérébral dont la direction principale est le recalage de plusieurs points représentant un sillon cérébral. Abstract : The fast development of new technologies such as digital medical imaging brought to the expansion of brain functional studies. One of the methodolgical key issue in brain functional studies is to compare neuronal activation between individuals. In this context, the great variability of brain size and shape is a major problem. Current methods allow inter-individual comparisions by means of normalisation of subjects' brains in relation to a standard brain. A largerly used standard brains are the proportional grid of Talairach and Tournoux and the Montreal Neurological Insititute standard brain (SPM99). However, there is a lack of more precise methods for the superposition of more variable portions of the cerebral cortex (e.g, neocrotex and perisyvlian zone) and in brain regions highly asymmetric between the two cerebral hemipsheres (e.g. planum termporale). The aim of this thesis is to evaluate a new image processing technique based on non-linear model-based registration. Contrary to the intensity-based, model-based registration uses spatial and not intensitiy information to fit one image to another. We extract identifiable anatomical features (point landmarks) in both deforming and target images and by their correspondence we determine the appropriate deformation in 3D. As landmarks, we use six control points that are situated: one on the Heschl'y Gyrus, one on the motor hand area, and one on the sylvian fissure, bilaterally. The evaluation of this model-based approach is performed on MRI and fMRI images of nine of eighteen subjects participating in the Maeder et al. study. Results on anatomical, i.e. MRI, images, show the mouvement of the deforming brain control points to the location of the reference brain control points. The distance of the deforming brain to the reference brain is smallest after the registration compared to the distance before the registration. Registration of functional images, i.e fMRI, doesn't show a significant variation. The small number of registration landmarks, i.e. six, is obvious not sufficient to produce significant modification on the fMRI statistical maps. This thesis opens the way to a new computation technique for cortex registration in which the main directions will be improvement of the registation algorithm, using not only one point as landmark, but many points, representing one particular sulcus.

Neurobiology of addiction: the role of transcription factors CREB and C/EBP as well as that of their coactivators

Résumé Le présent travail de thèse a fait face au défi de lier les changements transcriptionnels dans les neurones du système nerveux central au développement de l'addiction aux drogues. I1 est connu que l'apprentissage induit des modifications au niveau de la structure du cerveau, principalement en changeant la manière dont les neurones sont interconnectés par des synapses. De plus en plus d'évidences soutiennent un scénario selon lequel l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire qui ciblent des facteurs de transcription. Ces derniers peuvent activer la transcription de gènes spécifiques qui codent pour des protéines nécessaires au renforcement des synapses mémorisant ainsi la nouvelle information. Puisque l'addiction peut être considérée comme une forme aberrante d'apprentissage, et que les modifications synaptiques sont connues pour être impliquées dans le processus d'addiction, nous essayons de décrire des mécanismes transcriptionels étant à la base des changements synaptiques induits par les drogues. Comme modèle nous utilisons des cultures primaires des neurones de striatum, d'hippocampe et de cortex de souris ainsi que des tranches de cerveau de rat. Une des caractéristiques communes de quasiment toutes les substances addictives est de pouvoir activer le système mésolimbique dopaminergique provoquant la libération de dopamine sur les neurones du striatum (du noyau accumbens). Dans ce travail de thèse nous démontrons que dans des cultures du striatum, la dopamine induit le facteur de transcription C/EBPβ qui, à son tour, provoque l'expression du gène codant pour la substance P. Ce mécanisme pourrait potentiellement contribuer à la tolérance envers les drogues puisqu'il fait partie d'une rétroaction (feed-back) sur les cellules produisant la dopamine. Etant donné que ces résultats montrent l'importance de C/EBPβ dans la psychopathologie de l'addiction, nous avons également décidé d'étudier les mécanismes fondamentaux de l'activation de la transcription par C/EBPβ. Nos expériences démontrent que trois isoformes activatrices de la famille C/EBP recrutent le coactivateur CBP et provoquent en même temps sa phosphorylation. Enfin, nous montrons que les coactivateurs nommés TORC, nouvellement découverts et clonés, sont capables de détecter la coïncidence d'un signal cAMP et d'une entrée de calcium dans des neurones. Par conséquent les TORCs pourraient contribuer à détecter la coïncidence d'un signal glutamate et d'un signal dopamine dans les neurones de striatum, ce qui pourrait être important pour associer les effets hédonistes de la drogue à l'information contextuelle (par exemple à l'environnement où la drogue a été consommée). Nous sommes les premiers à observer que les TORCs sont nécessaires pour la potentiation à long terme dans l'hippocampe. Summary The present thesis work faced the challenge to link the development of drug addiction to transcriptional changes in the neurons of the central nervous system. Experience and learning are known to induce structural modifications in the brain, and these changes are thought to occur mainly in the way neurons are interconnected by synapses. More and more evidences point to a scenario in which neuronal activity would activate signalization cascades that impinge on transcription factors, which, in turn, would activate genes necessary for the reinforcement of synapses coding for new informations. Given that drug addiction can be considered as an aberrant form of learning and is thought to involve synaptic modifications, we try to elucidate some of the transcriptional mechanisms that could underlie drug-induced synaptic changes. As a model system, we use primary cultures of striatal, cortical and hippocampal neurons dissected from mouse embryos as well as brain slices from rats. One of the common features of virtually all drugs of abuse is to activate the mesocorticolimbic dopaminergic system that results in the release of dopamine onto the neurons of the striatum (nucleus accumbens). In this thesis work we show that in striatal cultures, dopamine induces the transcription factor C/EBPβ that in turn drives the expression of the gene coding for substance P. This mechanism is likely to be important for the drug-induced tolerance in the brain since it might be a part of a feedback acting on dopaminergic neurons. Given the suspected importance of C/EBPβ in drug addiction, we also try to elucidate some aspects of the basic mechanisms by which the C/EBP family activates transcription. We show that three activating members of the C/EBP family recruit the coactivator CBP and trigger its phosphorylation. Finally, we demonstrate that the newly discovered and cloned transcriptional coactivators, named TORCs (transducers of regulated CREB activity) are able to detect the coincidence of a calcium and a cAMP signal in the central nervous system. This way, TORCs could contribute to the detection of a coincidence between a glutamate and a dopamine signal in striatal neurons - a process that is suggested to be important for an association between the rewarding effect of a drug and contextual information (such as the environment where the drug had been taken). We demonstrate that TORCs are required for hippocampal LTP.

The monocarboxylate transporter MCT4 : mechanism of regulation in astrocytes and its putative role in cerebral ischemia

Despite its small fraction of the total body weight (2%), the brain contributes for 20% and 25% respectively of the total oxygen and glucose consumption of the whole body. Indeed, glucose has been considered the energy substrate par excellence for the brain. However, evidence accumulated over the last half century revealed an important role for the monocarboxylate lactate in fulfilling the energy needs of neurons. This is particularly true during physiological neuronal activation and in pathological conditions. Lactate transport into and out of the cell is mediated by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, only three of them have been well characterized: MCT2 is the predominant neuronal isoform, while the other non¬neuronal cell types of the brain express the ubiquitous isoform MCT1. Quite recently, the MCT4 isoform has been described in astrocytes. Due to its high transport capacity compared to the other two isoforms, MCT4 is particularly adapted for glycolytic cells. Because of its recent discovery in the brain, nothing was known about its regulation in the central nervous system. Here we show that MCT4 is regulated by oxygen levels in primary cultures of astrocytes in a time- and concentration-dependent manner via the hypoxia inducible factor-la (HIF-la). Moreover, we showed that MCT4 expression is essential for astrocyte survival under low oxygen conditions. In parallel, we investigated the possible implication of the pyruvate kinase isoform Pkm2, a strong enhancer of glycolysis, in its regulation. Then we showed that MCT4 expression, as well as the expression of the other two MCT isoforms, is altered in a murine model of stroke. Surprisingly, neurons started to express MCT4, as well as MCT1, under such conditions. Altogether, these data suggest that MCT4, due to its high transport capacity for lactate, may be the isoform that enables cells to operate a major metabolic adaptation in response to pathological situations that alter metabolic homeostasis of the brain. -- Le cerveau représente 2% du poids corporel total, mais il contribue pour 20% de la consommation totale d'oxygène et 25% de celle de glucose au repos. Le glucose est considéré comme le substrat énergétique par excellence pour le cerveau. Néanmoins, depuis un demi- siècle maintenant, de plus en plus de travaux ont démontré que le lactate joue un rôle majeur dans le métabolisme cérébral et est capable du subvenir aux besoins énergétiques des neurones. Le lactate est tout particulièrement nécessaire pendant l'activation neuronale ainsi qu'en situation pathologique. Le transport du lactate à travers la barrière hématoencéphalique ainsi qu'à travers les membranes cellulaires est assuré par la famille des transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, uniquement trois d'entre eux ont été décrits: MCT2 est considéré comme le transporteur neuronal, alors que les autres types cellulaires qui constituent le cerveau expriment l'isoforme ubiquitaire MCT1. Récemment, l'isoforme MCT4 a été rapportée sur les astrocytes. Dû à sa grande capacité de transport pour le lactate, MCT4 est tout particulièrement adapté pour soutenir le métabolisme des cellules hautement glycolytiques, comme les astrocytes. En raison de sa toute récente découverte, les aspects comprenant sa régulation et son rôle dans le cerveau sont pour l'instant méconnus. Les résultats exposés dans ce travail démontrent dans un premier temps que l'expression de MCT4 est régulée par les niveaux d'oxygène dans les cultures d'astrocytes corticaux par le biais du facteur de transcription HIF-la. De plus, nous avons démontré que l'expression de MCT4 est essentielle à la survie des astrocytes quand le niveau d'oxygénation baisse. En parallèle, des résultats préliminaires suggèrent que l'isoforme 2 de la pyruvate kinase, un puissant régulateur de la glycolyse, pourrait jouer un rôle dans la régulation de MCT4. Dans la deuxième partie du travail nous avons démontré que l'expression de MCT4, ainsi que celle de MCT1 et MCT2, est altérée dans un modèle murin d'ischémie cérébrale. De façon surprenante, les neurones expriment MCT4 dans cette condition, alors que ce n'est pas le cas en condition physiologique. En tenant compte de ces résultats, nous suggérons que MCT4, dû à sa particulièrement grande capacité de transport pour le lactate, représente le MCT qui permet aux cellules du système nerveux central, notamment les astrocytes et les neurones, de s'adapter à de très fortes perturbations de l'homéostasie métabolique du cerveau qui surviennent en condition pathologique.

Dying neurons in thalamus of asphyxiated term newborns and rats are autophagic

Enjeu: Déterminer si la macroautophagie est activée de façon excessive dans les neurones en souffrance dans l'encéphalopathie anoxique-ischémique du nouveau-né à terme. Contexte de la recherche: L'encéphalopathie anoxique-ischémique suite à une asphyxie néonatale est associée à une morbidité neurologique à long terme. Une diminution de son incidence reste difficile, son primum movens étant soudain, imprévisible voire non identifiable. Le développement d'un traitement pharmacologique neuroprotecteur post-anoxie reste un défi car les mécanismes impliqués dans la dégénérescence neuronale sont multiples, interconnectés et encore insuffisamment compris. En effet, il ressort des études animales que la notion dichotomique de mort cellulaire apoptotique (type 1)/nécrotique (type 3) est insuffisante. Une même cellule peut présenter des caractéristiques morphologiques mixtes non seulement d'apoptose et de nécrose mais aussi parfois de mort autophagique (type 2) plus récemment décrite. L'autophagie est un processus physiologique normal et essentiel de dégradation de matériel intracellulaire par les enzymes lysosomales. La macroautophagie, nommée simplement autophagie par la suite, consiste en la séquestration de parties de cytosol à éliminer (protéines et organelles) dans des compartiments intermédiaires, les autophagosomes, puis en leur fusion avec des lysosomes pour former des autolysosomes. Dans certaines conditions de stress telles que l'hypoxie et l'excitoxicité, une activité autophagique anormalement élevée peut être impliquée dans la mort cellulaire soit comme un mécanisme de mort indépendant (autodigestion excessive correspondante à la mort cellulaire de type 2) soit en activant d'autres voies de mort comme celles de l'apoptose. Description de l'article: Ce travail examine la présence de l'autophagie et son lien avec la mort cellulaire dans les neurones d'une région cérébrale fréquemment atteinte chez le nouveau- né humain décédé après une asphyxie néonatale sévère, le thalamus ventro-latéral. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus dans un modèle d'hypoxie-ischémie cérébrale chez le raton de 7 jours (dont le cerveau serait comparable à celui d'un nouveau-né humain de 34-37 semaines de gestation). Au total 11 nouveau-nés à terme décédés peu après la naissance ont été rétrospectivement sélectionnés, dont 5 présentant une encéphalopathie hypoxique- ischémique sévère et 6 décédés d'une cause autre que l'asphyxie choisis comme cas contrôle. L'autophagie et l'apoptose neuronale ont été évaluées sur la base d'une étude immunohistochimique et d'imagerie confocale de coupes histologiques en utilisant des marqueurs tels que LC3 (protéine dont la forme LC3-II est liée à la membrane des autophagosomes), p62/SQSTM1 (protéine spécifiquement dégradée par autophagie), LAMP1 (protéine membranaire des lysosomes et des autolysosomes), Cathepsin D ou B (enzymes lysosomales), TUNEL (détection de la fragmentation de l'ADN se produisant lors de l'apoptose), CASPASE-3 activée (protéase effectrice de l'apoptose) et PGP9.5 (protéine spécifique aux neurones). Chez le raton l'étude a pu être étendue en utilisant d'autres méthodes complémentaires telles que la microscopie électronique et le Western-blot. Une quantification des différents marqueurs montre une augmentation statistiquement significative de l'autophagie neuronale dans les cas d'asphyxie par rapport aux cas contrôles chez l'humain comme chez le raton. En cas d'asphyxie, les mêmes neurones expriment une densité accrue d'autophagosomes et d'autolysosomes par rapport aux cas contrôles. De plus, les neurones hautement autophagiques présentent des caractéristiques de l'apoptose. Conclusion: Cette étude montre, pour la première fois, que les neurones thalamiques lésés en cas d'encéphalopathie hypoxique-ischémique sévère présentent un niveau anormalement élevé d'activité autophagique comme démontré chez le raton hypoxique-ischémique. Ce travail permet ainsi de mettre en avant l'importance de considérer l'autophagie comme acteur dans la mort neuronale survenant après asphyxie néonatale. Perspectives: Récemment un certain nombre d'études in vitro ou sur des modèles d'ischémie cérébrale chez les rongeurs suggèrent un rôle important de la macroautophagie dans la mort neuronale. Ainsi, l'inhibition spécifique de la macroautophagie devrait donc être envisagée dans le futur développement des stratégies neuroprotectrices visant à protéger le cerveau des nouveau-nés à terme suite à une asphyxie.

Neuropathogenesis in glutaric aciduria type I and methylmalonic aciduria

Glutaric aciduria type-I (GA-I) and methylmalonic aciduria (MMA-uria) are two neurometabolic diseases manifesting in neonatal period and early childhood. They belong to the group of organic acidurias and are caused by defects in the catabolism of amino acids, leading to massive accumulation of toxic metabolites in the body and severe brain injury. Therapeutic strategies are mainly based on reversing catabolic state during metabolic crisis and dietary protein restriction that both aim to prevent extra production of toxic metabolites. Specific and neuroprotective treatments are missing because the mechanisms of brain damage in these diseases are only poorly understood. The principal objective of my work was to develop in vitro models for both diseases aiming at elucidation of toxic effects of the main metabolites accumulating in GA-I (glutaric acid (GA) and 3-hydroxy glutaric acid (3-OHGA)) and MMA-uria (methylmalonic acid (MMA), propionic acid (PA) and 2-methylcitric acid (2-MCA)) on developing brain cells, and to study the cellular pathways targeted by these deleterious effects in order to find new therapeutic potentials. We used re-aggregated embryonic rat brain cells in organotypic 3D cultures, which were exposed to toxic metabolites at different developing stages of the cultures. In parallel, we studied the cellular localization of the defected enzyme in GA-I, glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH), in the brain and peripheral tissues of rats in adulthood and during embryonic development. GCDH expression: GCDH showed a strong neuronal expression in embryonic central and peripheral nervous system. In the adult brain, GCDH expression was exclusively neuronal with the strongest signal in cerebral cortex and Purkinje cells. GCDH expression was homogenous in embryonic peripheral organs with high levels in intestinal mucosa at late stages. Strong GCDH expression was also observed in liver and intestinal mucosa and with lower intensity in muscles, convoluted renal tubules and renal collecting tubes in adult peripheral organs. GA-I and MMA-uria in vitro models: 3-OHGA (for GA-I) and 2-MCA (for MMA-uria) showed the most deleterious effects at early stages of the cultures with morphological and biochemical alterations and induction of cell death. 3-OHGA and 2-MCA caused astrocytic cell suffering reflected by astrocytic fiber loss and swelling and retardation in oligodendrocytic maturation and/or differentiation. High ammonium increase concomitant with glutamine decrease was observed in these cultures. Neurons were not substantially affected. Our studies revealed that brain-cell generated ammonia may play a role in the neuropathogenesis of these diseases. Thus, developing neuroprotective strategies that target ammonium toxicity in the brain of GA-I and MMA-uria patients might be important according to our findings. -- L'acidurie glutarique de type I (GA-I) et l'acidurie méthylmalonique (MMA-urie) sont deux maladies neurométaboliques se manifestant durant la période néonatale ou la petite enfance, et qui appartiennent aux aciduries organiques. Elles sont causées par des défauts dans le catabolisme des acides aminés, conduisant à une accumulation des métabolites toxiques dans le corps et aussi des lésions cérébrales sévères. Le traitement est limité à une prise en charge d'urgence pendant la crise métabolique et à une diète restreinte en protéines naturelles. Des traitements spécifiques, neuroprotecteurs manquent principalement parce que les mécanismes conduisant aux lésions cérébrales dans ces maladies sont peu connus. L'objectif principal de mon travail était d'élucider les effets toxiques des métabolites accumulés dans GA-I (l'acide glutarique (GA) et l'acide 3-hydroxyglutarique (3-OHGA)) et MMA-uria (l'acide méthylmalonique (MMA), l'acide propionique (PA) et l'acide 2-méthylcitrique(2-MCA) sur les cellules du cerveau ainsi que les voies cellulaires impliquées, dans le but de trouver de potentielles nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons utilisé un modèle in vitro de cultures 3D de cellules de cerveau d'embryons de rat (en développement) en les exposant aux métabolites toxiques à différents stades de développement des cultures. En parallèle, nous avons étudié la localisation cellulaire de l'enzyme déficiente dans GA-I, la CoA-glutarly déshydrogénase (GCDH), dans le cerveau et les organes périphériques des rats adultes et pendant le développement embryonnaire. L'expression de GCDH: GCDH a montré une expression neuronale forte dans le système nerveux chez l'embryon et le cerveau adulte. L'expression était homogène dans les organes périphériques avec une forte expression dans l'intestin. Les modèles in vitro de GA-I et MMA-uria : 3-OHGA en modèle GA-I et 2-MCA en modèle MMA-uria ont montré les effets délétères les plus importants avec des altérations morphologiques des cellules et biochimiques dans le milieu de culture et l'induction de mort cellulaire non-apoptotique (3-OHGA) ou apoptotique (2-MCA). 3-OHGA et 2-MCA ont provoqué une souffrance astrocytaire avec perte des fibres et gonflement et un retard de maturation et/ou de différentiation des oligodendrocytes. Une augmentation importante d'ammonium avec une diminution concomitante de glutamine a été observée dans les cultures. Les neurones n'étaient pas vraiment affectés. Nos études ont révélé que l'ammonium généré par les cellules cérébrales pourrait jouer un rôle dans la neuropathogenèse de ces deux maladies. Par conséquent, développer des stratégies neuroprotectrices ciblant la toxicité de l'ammonium dans le cerveau des patients atteints de GA-I ou MMA-urie pourrait être très important selon nos résultats.

Cognitive anatomy of the temporal lobe: Effect of personality in population with mild cognitive impairment & Functional specialization for memory systems in healthy individuals.

Résumé: L'impact de la maladie d'Alzheimer (MA) est dévastateur pour la vie quotidienne de la personne affectée, avec perte progressive de la mémoire et d'autres facultés cognitives jusqu'à la démence. Il n'existe toujours pas de traitement contre cette maladie et il y a aussi une grande incertitude sur le diagnostic des premiers stades de la MA. La signature anatomique de la MA, en particulier l'atrophie du lobe temporal moyen (LTM) mesurée avec la neuroimagerie, peut être utilisée comme un biomarqueur précoce, in vivo, des premiers stades de la MA. Toutefois, malgré le rôle évident du LMT dans les processus de la mémoire, nous savons que les modèles anatomiques prédictifs de la MA basés seulement sur des mesures d'atrophie du LTM n'expliquent pas tous les cas cliniques. Au cours de ma thèse, j'ai conduit trois projets pour comprendre l'anatomie et le fonctionnement du LMT dans (1) les processus de la maladie et dans (2) les processus de mémoire ainsi que (3) ceux de l'apprentissage. Je me suis intéressée à une population avec déficit cognitif léger (« Mild Cognitive Impairment », MCI), à risque pour la MA. Le but du premier projet était de tester l'hypothèse que des facteurs, autres que ceux cognitifs, tels que les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles dans le LTM. De plus, la diversité phénotypique des manifestations précliniques de la MA provient aussi d'une connaissance limitée des processus de mémoire et d'apprentissage dans le cerveau sain. L'objectif du deuxième projet porte sur l'investigation des sous-régions du LTM, et plus particulièrement de leur contribution dans différentes composantes de la mémoire de reconnaissance chez le sujet sain. Pour étudier cela, j'ai utilisé une nouvelle méthode multivariée ainsi que l'IRM à haute résolution pour tester la contribution de ces sous-régions dans les processus de familiarité (« ou Know ») et de remémoration (ou « Recollection »). Finalement, l'objectif du troisième projet était de tester la contribution du LTM en tant que système de mémoire dans l'apprentissage et l'interaction dynamique entre différents systèmes de mémoire durant l'apprentissage. Les résultats du premier projet montrent que, en plus du déficit cognitif observé dans une population avec MCI, les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles du LTM ; notamment avec une plus grande contribution du neuroticisme liée à une vulnérabilité au stress et à la dépression. Mon étude a permis d'identifier un pattern d'anormalité anatomique dans le LTM associé à la personnalité avec des mesures de volume et de diffusion moyenne du tissu. Ce pattern est caractérisé par une asymétrie droite-gauche du LTM et un gradient antéro-postérieur dans le LTM. J'ai interprété ce résultat par des propriétés tissulaires et neurochimiques différemment sensibles au stress. Les résultats de mon deuxième projet ont contribué au débat actuel sur la contribution des sous-régions du LTM dans les processus de familiarité et de remémoration. Utilisant une nouvelle méthode multivariée, les résultats supportent premièrement une dissociation des sous-régions associées aux différentes composantes de la mémoire. L'hippocampe est le plus associé à la mémoire de type remémoration et le cortex parahippocampique, à la mémoire de type familiarité. Deuxièmement, l'activation correspondant à la trace mnésique pour chaque type de mémoire est caractérisée par une distribution spatiale distincte. La représentation neuronale spécifique, « sparse-distributed», associée à la mémoire de remémoration dans l'hippocampe serait la meilleure manière d'encoder rapidement des souvenirs détaillés sans interférer les souvenirs précédemment stockés. Dans mon troisième projet, j'ai mis en place une tâche d'apprentissage en IRM fonctionnelle pour étudier les processus d'apprentissage d'associations probabilistes basé sur le feedback/récompense. Cette étude m'a permis de mettre en évidence le rôle du LTM dans l'apprentissage et l'interaction entre différents systèmes de mémoire comme la mémoire procédurale, perceptuelle ou d'amorçage et la mémoire de travail. Nous avons trouvé des activations dans le LTM correspondant à un processus de mémoire épisodique; les ganglions de la base (GB), à la mémoire procédurale et la récompense; le cortex occipito-temporal (OT), à la mémoire de représentation perceptive ou l'amorçage et le cortex préfrontal, à la mémoire de travail. Nous avons également observé que ces régions peuvent interagir; le type de relation entre le LTM et les GB a été interprété comme une compétition, ce qui a déjà été reporté dans des études récentes. De plus, avec un modèle dynamique causal, j'ai démontré l'existence d'une connectivité effective entre des régions. Elle se caractérise par une influence causale de type « top-down » venant de régions corticales associées avec des processus de plus haut niveau venant du cortex préfrontal sur des régions corticales plus primaires comme le OT cortex. Cette influence diminue au cours du de l'apprentissage; cela pourrait correspondre à un mécanisme de diminution de l'erreur de prédiction. Mon interprétation est que cela est à l'origine de la connaissance sémantique. J'ai également montré que les choix du sujet et l'activation cérébrale associée sont influencés par les traits de personnalité et des états affectifs négatifs. Les résultats de cette thèse m'ont amenée à proposer (1) un modèle expliquant les mécanismes possibles liés à l'influence de la personnalité sur le LTM dans une population avec MCI, (2) une dissociation des sous-régions du LTM dans différents types de mémoire et une représentation neuronale spécifique à ces régions. Cela pourrait être une piste pour résoudre les débats actuels sur la mémoire de reconnaissance. Finalement, (3) le LTM est aussi un système de mémoire impliqué dans l'apprentissage et qui peut interagir avec les GB par une compétition. Nous avons aussi mis en évidence une interaction dynamique de type « top -down » et « bottom-up » entre le cortex préfrontal et le cortex OT. En conclusion, les résultats peuvent donner des indices afin de mieux comprendre certains dysfonctionnements de la mémoire liés à l'âge et la maladie d'Alzheimer ainsi qu'à améliorer le développement de traitement. Abstract: The impact of Alzheimer's disease is devastating for the daily life of the affected patients, with progressive loss of memory and other cognitive skills until dementia. We still lack disease modifying treatment and there is also a great amount of uncertainty regarding the accuracy of diagnostic classification in the early stages of AD. The anatomical signature of AD, in particular the medial temporal lobe (MTL) atrophy measured with neuroimaging, can be used as an early in vivo biomarker in early stages of AD. However, despite the evident role of MTL in memory, we know that the derived predictive anatomical model based only on measures of brain atrophy in MTL does not explain all clinical cases. Throughout my thesis, I have conducted three projects to understand the anatomy and the functioning of MTL on (1) disease's progression, (2) memory process and (3) learning process. I was interested in a population with mild cognitive impairment (MCI), at risk for AD. The objective of the first project was to test the hypothesis that factors, other than the cognitive ones, such as the personality traits, can explain inter-individual differences in the MTL. Moreover, the phenotypic diversity in the manifestations of preclinical AD arises also from the limited knowledge of memory and learning processes in healthy brain. The objective of the second project concerns the investigation of sub-regions of the MTL, and more particularly their contributions in the different components of recognition memory in healthy subjects. To study that, I have used a new multivariate method as well as MRI at high resolution to test the contribution of those sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Finally, the objective of the third project was to test the contribution of the MTL as a memory system in learning and the dynamic interaction between memory systems during learning. The results of the first project show that, beyond cognitive state of impairment observed in the population with MCI, the personality traits can explain the inter-individual differences in the MTL; notably with a higher contribution of neuroticism linked to proneness to stress and depression. My study has allowed identifying a pattern of anatomical abnormality in the MTL related to personality with measures of volume and mean diffusion of the tissue. That pattern is characterized by right-left asymmetry in MTL and an anterior to posterior gradient within MTL. I have interpreted that result by tissue and neurochemical properties differently sensitive to stress. Results of my second project have contributed to the actual debate on the contribution of MTL sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Using a new multivariate method, the results support firstly a dissociation of the subregions associated with different memory components. The hippocampus was mostly associated with recollection and the surrounding parahippocampal cortex, with familiarity type of memory. Secondly, the activation corresponding to the mensic trace for each type of memory is characterized by a distinct spatial distribution. The specific neuronal representation, "sparse-distributed", associated with recollection in the hippocampus would be the best way to rapidly encode detailed memories without overwriting previously stored memories. In the third project, I have created a learning task with functional MRI to sudy the processes of learning of probabilistic associations based on feedback/reward. That study allowed me to highlight the role of the MTL in learning and the interaction between different memory systems such as the procedural memory, the perceptual memory or priming and the working memory. We have found activations in the MTL corresponding to a process of episodic memory; the basal ganglia (BG), to a procedural memory and reward; the occipito-temporal (OT) cortex, to a perceptive memory or priming and the prefrontal cortex, to working memory. We have also observed that those regions can interact; the relation type between the MTL and the BG has been interpreted as a competition. In addition, with a dynamic causal model, I have demonstrated a "top-down" influence from cortical regions associated with high level cortical area such as the prefrontal cortex on lower level cortical regions such as the OT cortex. That influence decreases during learning; that could correspond to a mechanism linked to a diminution of prediction error. My interpretation is that this is at the origin of the semantic knowledge. I have also shown that the subject's choice and the associated brain activation are influenced by personality traits and negative affects. Overall results of this thesis have brought me to propose (1) a model explaining the possible mechanism linked to the influence of personality on the MTL in a population with MCI, (2) a dissociation of MTL sub-regions in different memory types and a neuronal representation specific to each region. This could be a cue to resolve the actual debates on recognition memory. Finally, (3) the MTL is also a system involved in learning and that can interact with the BG by a competition. We have also shown a dynamic interaction of « top -down » and « bottom-up » types between the pre-frontal cortex and the OT cortex. In conclusion, the results could give cues to better understand some memory dysfunctions in aging and Alzheimer's disease and to improve development of treatment.

Micrornas involvement in cortical plasticity in adult mouse barrel cortex

In rodents, sensory experience alters the whisker representation in layer IV of the barrel cortex (Woolsey and Van der Loos, 1970). Excitatory and inhibitory interneurons, together with the astrocytic network, modify the functional representation in an integrated manner. Our group showed that continuous whisker stimulation induces structural and functional changes in the corresponding barrel. These modifications include the depression of neuronal responses and an insertion of new inhibitory synapses on dendritic spines (Knott et al., 2002; Genoud et al., 2006; Quairiaux et al., 2007). This form of cortical plasticity is controlled by several gene regulatory mechanisms including the activation of genetic programs controlling the expression of microRNAs (miRNAs). The transitory and localized expression of miRNAs in dendrites and their capacity to respond in an activity-dependent manner make them ideal candidates for the fine tuning of gene expression associated with neural plasticity. In a previous study of our group (Johnston- Wenger, 2010) using microarray analysis on laser-dissected barrels in order to compare the gene expression levels in stimulated and non-stimulated barrels after whisker stimulation, 261 genes were found significantly regulated, among these genes there were two miRNAs (miR- 132 and miR-137). In this study I tested the initial observation on the up-regulation of miR-132 and miR-137 after whisker stimulation and the possible involvement of two other miRNAs (miR-138 and miR-125b) that are known play a role in other form of synaptic plasticity. I used in situ hybridization (ISH) after unilateral stimulation of three whiskers (Cl-3) in the adult mouse. We found that sensory stimulation increases the expression, of miR-132 after 3hours of stimulation (p<0.01) and miR-137 (pO.Ol; 24 hrs of stim.), whereas it reduces the level of miR-125b (pO.Ol; 9 hrs of stim.). No significant difference was detected for miR-138. We further determined a correlation between the level of expression of the four selected miRNAs in the cortical barrels (measured by ISH) and in blood plasma (measured by qPCR). In addition to this quantitative comparison, we combined miRNAs ISH and immunolabeling for various neuronal markers that were chosen for the localization in both excitatory and inhibitory circuits as well as in astrocytes. Analysis of three-dimensional confocal acquisitions showed that stimulation alters significantly the degree of co-localization in the stimulated barrel of miR-132 with GAD65/67 and VGLUT2; miR-125b with GAD65/67 and parvalbumin; miR-138 with parvalbumin, VGLUT1 and PSD95; and miR-137 with VGLUT1 and astrocytic markers (GS; GFAP and SlOOß). To conclude, using increased neuronal activity in the whisker-to-barrel pathway; our results suggest that miRNAs can be regulated in an activity-dependent manner and they may regulate local mRNA translation to shape neuronal responses. These findings motivate further investigation of the different modes in which miRNAs may regulate cortical plasticity. -- Chez les rongeurs, l'expérience sensorielle modifie la représentation des vibrisses au niveau du cortex somatosensoriel primaire (Woolsey and Van der Loos, 1970). Les interneurones excitateurs et inhibiteurs, en collaboration avec le réseau astrocytaire, modifient la représentation fonctionnelle d'une manière intégrée. Notre groupe a montré que la stimulation continue des vibrisses induit des changements structuraux et fonctionnels dans le tonneau correspondant. Ces modifications incluent la dépression des réponses neuronales et une insertion de nouvelles synapses inhibitrices sur les épines dendritiques (Knott et al., 2002 ; Genoud et al., 2006 ; Quairiaux et al., 2007). Cette forme de plasticité corticale est contrôlée par plusieurs mécanismes de régulation génique dont l'activation des programmes géniques contrôlant l'expression des microARNs (miARNs). Par leur expression transitoire et localisée dans les dendrites et leur capacité à réagir d'une manière dépendante de l'activité, les miARNs sont des candidats idéaux pour le réglage fin de l'expression des gènes associée à la plasticité neuronale. Afin de comparer le niveau d'expression des gènes dans les tonneaux stimulés et non-stimulés après stimulation des vibrisses, une étude antérieure dans notre groupe (Johnston-Wenger, 2010), utilisant l'analyse par microarray sur des tonneaux disséqués par laser, a montré l'altération significative de 261 gènes. Parmi ces gènes, il y avait deux miARNs (miR-132 et miR-137). Dans la présente étude, j'ai testé l'observation initiale sur la régulation de miR-132 et miR-137 après stimulation des vibrisses et la possible implication de deux autres miARNs (miR-138 et miR-125b) connus avoir jouer un rôle important dans d'autres formes de plasticité synaptique. J'ai utilisé l'hybridation in situ (ISH) après stimulation unilatérale de trois vibrisses (Cl-3) chez la souris adulte. J'ai trouvé que la stimulation sensorielle augmente l'expression, de miR-132 après 3 heures de stimulation (p < 0.01) et miR-137 (p < 0.01 ; 24 hrs de stim.), alors qu'elle réduit le niveau de miR-125b (p < 0.01; 9 hrs de stim.). Aucune différence significative n'a été détectée pour miR-138. J'ai aussi déterminé une corrélation entre le niveau d'expression des quatre miARNs sélectionnés dans les tonneaux (mesurés par ISH) et dans le plasma sanguin (mesuré par qPCR). En plus de cette comparaison quantitative, j'ai combiné le miR-ISH et l'immunomarquage pour divers marqueurs neuronaux qui ont été choisis pour étudier la localisation dans les circuits excitateurs et inhibiteurs, ainsi que dans les astrocytes. Les acquisitions tridimensionnelles montrent que la stimulation modifie considérablement le degré de co-localisation dans le tonneau stimulé de miR-132 avec GAD65/67 et VGLUT2; miR-125b avec GAD65/67 et parvalbumine; miR-138 avec parvalbumine, VGLUT1 et PSD95; et miR-137 avec VGLUT1 et les marqueurs astrocytaires (GS ; GFAP et SlOOß). En conclusion, à l'aide de l'activité neuronale accrue dans la voie de vibrisses-au-baril; les résultats suggèrent que les miARNs peuvent être régulé d'une manière dépendante de l'activité et peuvent résulter la stabilité des ARNm et la traduction pour façonner les réponses neuronales ultérieures. Ces résultats incitent d'investiguer davantage les voies importantes par lesquels les miARNs peuvent réguler la plasticité corticale.

Role of Munc18c in SNARE-mediated exocytosis

Background: The SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment protein Receptors) and SM (Sec1/Munc18) family of proteins form the core machinery that drives the fusion of vesicles in different membrane trafficking steps. They are highly conserved, implying a similar mode of binding and function. In vertebrates, Munc18a is essential for neuronal exocytosis. It binds to its partner syntaxin1a (Syx1a) at both its N-peptide and closed conformation, and thereby inhibits SNARE complex formation in vitro. By contrast, its close homolog Munc18c is thought to interact with only the N-peptide of its partner Syx4. Moreover, different effects of Munc18c on SNARE complex formation have been reported, suggesting that the two Munc18/Syx pairs act differently. Objective: The aim of the present study was to investigate whether the mechanism of action of Munc18c indeed deviates from that of Munc18a by using sensitive biochemical and biophysical methods. Results: I found that Munc18c does have a similar binding mode as Munc18a and interacts tightly with Syx4 at both the N-peptide and closed conformation. Moreover, I established, through a novel assay, that Munc18c inhibits SNARE complex assembly, with both the binding sites contributing to inhibition, similar to Munc18a. However, there were several subtle differences between the two Munc18/Syx pairs. Munc18a exerted stronger inhibition than Munc18c. Also their respective Syx partners were found to differ in the rate of binding to SNAP25, suggesting that the equilibrium of their open and closed conformations is different. Moreover, Munc18a was found to interact with Syx 1, 2, 3 but not 4, while Munc18c bound to Syx 2, 4 and 1 but not 3. By comparing the kinetics of interaction of Syx with either Munc18 or SNAP25, I found that the block of SNARE complex assembly by Munc18 is effective on a shorter time scale, but SNAP25 eventually binds to Syx resulting in SNARE complex formation. Nevertheless, these findings do not explain how Syx can escape the tight grip of Munc18, suggesting that other proteins or mechanisms are needed for this step. I also discovered that Munc18 is able to bind on the surface of the SNARE core complex; however, this observation needs to be tested more rigorously. Conclusion: Munc18c was found to be similar to Munc18a in its mode of binding to Syx and inhibition of SNARE complex assembly. However, differences in kinetics and interaction specificities were observed between the different Munc18/Syx pairs. -- Contexte : Les familles des protéines SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor At- tachment protein Receptors) et SM (Sec1/Munc18) forment le coeur de la machinerie chargée de la fusion vésiculaire au cours des différentes étapes du trafic intracellulaire. Elles sont très conservées, suggérant un mode d'interaction et des fonctions semblables. Chez les Verté- brés, Munc18a est essentielle à l'exocytose neuronale. Elle se lie à sa partenaire d'interaction syntaxin1a (Syx1a) à la fois via un peptide N-terminal et la conformation fermée de celle-ci, inhibant ainsi la formation du complexe SNARE in vitro. Son homologue proche Munc18c au contraire, est supposée interagir seulement avec le peptide N-terminal de sa partenaire Syx4. En outre, différents effets de Munc18c sur la formation du complexe SNARE ont été décrits, suggérant que les deux paires Munc18/Syx fonctionnent différemment. Objectif : Le but de cette étude est de tester si les mécanismes de fonctionnement de Munc18c diffèrent vraiment de ceux de Munc18a par le biais de méthodes biochimiques et biophysiques très précises. Résultats : J'ai pu démontrer que Munc18c se comporte en effet de façon semblable à Munc18a, et interagit étroitement avec Syx4 à ses deux sites de liaison. J'ai pu de surcroît montrer par une nouvelle méthode que Munc18c inhibe l'assemblage du complexe SNARE en impliquant ces deux sites de liaison, comme le fait Munc18a. il existe cependant de subtiles différences entre les deux paires Munc18/Syx : Munc18a exerce une inhibition plus forte que Munc18c ; leurs Syx partenaires diffèrent également dans leur degré de liaison à SNAP25, ce qui suggère un équilibre different de leurs conformations ouverte et fermée. De plus, Munc18a interagit avec Syx 1, 2 et 3 mais pas Syx 4, alors que Munc18c se lie à Syx 2, 4 et 1 mais pas Syx 3. En comparant les cinétiques d'interaction de Syx avec Munc18 ou SNAP25, j'ai découvert que le blocage par Munc18 de l'assemblage du complexe SNARE est effectif de façon brève, bien que SNAP25 finisse par se lier à Syx et aboutir ainsi à la formation du complexe SNARE. Ces découvertes n'expliquent cependant pas comment Syx parvient à échapper à la solide emprise de Munc18, et suggèrent ainsi l'intervention nécessaire d'autres protéines ou mécanismes à cette étape. J'ai également découvert que Munc18 peut se lier à la surface de la partie centrale du complexe SNARE - cette observation reste à être testée de façon plus stringente. Conclusion : Il a pu être établi que Munc18c est semblable à Munc18a quant à son mode de liaison à Syx et d'inhibition de l'assemblage du complexe SNARE. Des différences de cinétique et de spécificité d'interaction entre les diverses paires Munc18/Syx ont cependant été identifiées.

Coma post-anoxique après arrêt cardiaque et hypothermie, peut-on encore prédire le pronostic en 2014 ?

L'encéphalopathie post-anoxique après arrêt cardiaque (AC) est une cause féquente d'admission pour coma en réanimation. Depuis les recommandations de 2003, l'hypothermie thérapeutique (HT) est devenue un standard de traitement après AC et est à l'origine de l'amélioration du pronostic au cours de cette derniere décennie. Les élements prédicteurs de pronostic validés par l'Académie Américaine de Neurologie avant l'ère de l'HT sont devenus moins précis. En effet, l'HT et la sédation retardent la reprise de la réponse motrice et peuvent altérer la valeur prédictive des réflexes du tronc cérébral. Une nouvelle approche est nécessaire pour établir un pronostic après AC et HT. L'enregistrement (pendant l'HTou peu après) d'une activité électroencéphalographique réactive et/ou continue est un bon prédicteur de récupération neurologique favorable après AC. Au contraire, la présence d'un tracé non réactif ou discontinu de type burst-suppression, avec une réponse N20 absente bilatérale aux potentiels évoqués somatosensoriels, sont presqu'à 100 % prédictifs d'un coma irréversible déjà à 48 heures après AC. L'HT modifie aussi la valeur prédictive de l'énolase neuronale spécifique (NSE), principal biomarqueur sérique de la lésion cérébrale post-anoxique. Un réveil avec bonne récupération neurologique a été récemment observé par plusieurs groupes chez des patients présentant des valeurs de NSE>33 μg/L à 48-72 heures : ce seuil ne doit pas être utilisé seul pour guider le traitement. L'imagerie par résonance magnétique de diffusion peut aider à prédire les séquelles neurologiques à long terme. Un réveil chez les patients en coma post-anoxique est de plus en plus observé, malgré l'absence précoce de signes moteurs et une élévation franche des biomarqueurs neuronaux. En 2014, une nouvelle approche multimodale du pronostic est donc nécessaire, pour optimiser la prédiction d'une évolution clinique favorable après AC. Hypoxic-ischemic encephalopathy after cardiac arrest (CA) is a frequent cause of intensive care unit (ICU) admission. Incorporated in all recent guidelines, therapeutic hypothermia (TH) has become a standard of care and has contributed to improve prognosis after CA during the past decade. The accuracy of prognostic predictors validated in 2006 by the American Academy of Neurology before the era of TH is less accurate. Indeed, TH and sedation may delay the recovery of motor response and alter the predictive value of brainstem reflexes. A new approach is needed to accurately establish prognosis after CA and TH. A reactive and/or continuous electroencephalogram background (during TH or shortly thereafter) strongly predicts good outcome. On the contrary, unreactive/spontaneous burst-suppression electroencephalogram pattern, together with absent N20 on somatosensory evoked potentials, is almost 100% predictive of irreversible coma. TH also affects the predictive value of neuronspecific enolase (NSE), the main serum biomarker of postanoxic injury. A good outcome can occur despite NSE levels >33 μg/L, so this cutoff value should not be used alone to guide treatment. Diffusion magnetic resonance imagery may help predict long-term neurological sequelae. Awakening from postanoxic coma is increasingly observed, despite the absence of early motor signs and pathological elevation of NSE. In 2014, a multimodal approach to prognosis is recommended to optimize the prediction of outcome after CA.

Etude in vitro de l'activité électrique du tissu nerveux obtenu par culture de biopsies cérébrales humaines adultes

Récemment encore, la neuro-genèse chez le primate adulte était supposée limitée aux régions précises que sont le bulbe olfactif, la zone sous-granulaire de l'hippocampe et la région sous- ventriculaire. Depuis lors, des cellules neurales progénitrices distribuées dans l'ensemble du cortex du primate adulte furent mises en évidence. Cultivées in vitro, ces cellules forment des écosystèmes cellulaires nerveux constitués de progéniteurs neuronaux, d'astrocytes et d'oligo- dendrocytes. Transplantés sur un modèle de primate parkinsonien, certains progéniteurs complètent leur différentiation en neurones matures et développent des propriétés neuro- trophiques et neuro-protectrices. Injectées aux environs d'une lésion cérébrale, ces cellules offrent un bénéfice fonctionnel et comportemental significatif. Le présent projet mesure l'activité électro-physiologique du tissu nerveux obtenu par culture de biopsies corticales humaines adultes, de sorte à déterminer son aptitude à intégrer l'information. Des biopsies corticales humaines adultes furent cultivées in vitro avec succès sur un support Micro-Electrode-Array. Cette technologie permet l'acquisition d'enregistrements électro- physiologiques à l'échelle des circuits, au sein d'un tissu maintenu en culture. En parallèle, une mesure de l'activité à l'échelle cellulaire fut obtenue par l'application du Patch Clamp à des cellules cultivées sur un support de verre. Malgré une culture prolongée et l'induction d'une différentiation neuronale, aucune activité électro-physiologique significative ne put être démontrée. Une analyse phénotypique à un stade intermédiaire de culture montra l'expression prometteuse du marqueur neuronal précoce β-Tubulin-III. Cependant, après l'induction d'une différenciation neuronale, la surprenante co-expression de marqueurs astroglial (GFAP) et neuronal (MAP2) fut constatée. Le silence électro-physiologique issu des enregistrements sur MEA peut être l'oeuvre d'un isolement des cellules électriquement actives, et d'un défaut d'organisation en réseau. Une interposition de tissu glial entre neurones et électrodes peut également absorber le signal. Par ailleurs, les cellules enregistrées par Patch Clamp furent déterminées selon le seul critère morphologique ; leur nature exacte demeure inconnue. Les analyses phénotypiques laissent supposer l'entrée dans une voie de maturation neuronale par l'expression du marqueur β- Tubulin-III. Toutefois le phénotype exprimé au terme du processus de culture reste incertain. Des facteurs de maturation ou environnementaux semblent faire défaut à la complétion d'une différentiation neuronale. La culture de neurones bien différenciés et électriquement actifs appelle de nouvelles études in vivo, ainsi qu'une analyse fine des voies intracellulaires de maturation.