Cross-frequency coupling in EEG revealed by adaptive oscillation tracking.

Introduction: Neuronal oscillations have been the focus of increasing interest in the neuroscientific community, in part because they have been considered as a possible integrating mechanism through which internal states can influence stimulus processing in a top-down way (Engel et al., 2001). Moreover, increasing evidence indicates that oscillations in different frequency bands interact with one other through coupling mechanisms (Jensen and Colgin, 2007). The existence and the importance of these cross-frequency couplings during various tasks have been verified by recent studies (Canolty et al., 2006; Lakatos et al., 2007). In this study, we measure the strength and directionality of two types of couplings - phase-amplitude couplings and phase-phase couplings - between various bands in EEG data recorded during an illusory contour experiment that were identified using a recently-proposed adaptive frequency tracking algorithm (Van Zaen et al., 2010). Methods: The data used in this study have been taken from a previously published study examining the spatiotemporal mechanisms of illusory contour processing (Murray et al., 2002). The EEG in the present study were from a subset of nine subjects. Each stimulus was composed of 'pac-man' inducers presented in two orientations: IC, when an illusory contour was present, and NC, when no contour could be detected. The signals recorded by the electrodes P2, P4, P6, PO4 and PO6 were averaged, and filtered into the following bands: 4-8Hz, 8-12Hz, 15-25Hz, 35-45Hz, 45-55Hz, 55-65Hz and 65-75Hz. An adaptive frequency tracking algorithm (Van Zaen et al., 2010) was then applied in each band in order to extract the main oscillation and estimate its frequency. This additional step ensures that clean phase information is obtained when taking the Hilbert transform. The frequency estimated by the tracker was averaged over sliding windows and then used to compare the two conditions. Two types of cross-frequency couplings were considered: phase-amplitude couplings and phase-phase couplings. Both types were measured with the phase locking value (PLV, Lachaux et al., 1999) over sliding windows. The phase-amplitude couplings were computed with the phase of the low frequency oscillation and the phase of the amplitude of the high frequency one. Different coupling coefficients were used when measuring phase-phase couplings in order to estimate different m:n synchronizations (4:3, 3:2, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1 and 9:1) and to take into account the frequency differences across bands. Moreover, the direction of coupling was estimated with a directionality index (Bahraminasab et al., 2008). Finally, the two conditions IC and NC were compared with ANOVAs with 'subject' as a random effect and 'condition' as a fixed effect. Before computing the statistical tests, the PLV values were transformed into approximately normal variables (Penny et al., 2008). Results: When comparing the mean estimated frequency across conditions, a significant difference was found only in the 4-8Hz band, such that the frequency within this band was significantly higher for IC than NC stimuli starting at ~250ms post-stimulus onset (Fig. 1; solid line shows IC and dashed line NC). Significant differences in phase-amplitude couplings were obtained only when the 4-8 Hz band was taken as the low frequency band. Moreover, in all significant situations, the coupling strength is higher for the NC than IC condition. An example of significant difference between conditions is shown in Fig. 2 for the phase-amplitude coupling between the 4-8Hz and 55-65Hz bands (p-value in top panel and mean PLV values in the bottom panel). A decrease in coupling strength was observed shortly after stimulus onset for both conditions and was greater for the condition IC. This phenomenon was observed with all other frequency bands. The results obtained for the phase-phase couplings were more complex. As for the phase-amplitude couplings, all significant differences were obtained when the 4-8Hz band was considered as the low frequency band. The stimulus condition exhibiting the higher coupling strength depended on the ratio of the coupling coefficients. When this ratio was small, the IC condition exhibited the higher phase-phase coupling strength. When this ratio was large, the NC condition exhibited the higher coupling strength. Fig. 3 shows the phase-phase couplings between the 4-8Hz and 35-45Hz bands for the coupling coefficient 6:1, and the coupling strength was significantly higher for the IC than NC condition. By contrast, for the coupling coefficient 9:1 the NC condition gave the higher coupling strength (Fig. 4). Control analyses verified that it is not a consequence of the frequency difference between the two conditions in the 4-8Hz band. The directionality measures indicated a transfer of information from the low frequency components towards the high frequency ones. Conclusions: Adaptive tracking is a feasible method for EEG analyses, revealing information both about stimulus-related differences and coupling patterns across frequencies. Theta oscillations play a central role in illusory shape processing and more generally in visual processing. The presence vs. absence of illusory shapes was paralleled by faster theta oscillations. Phase-amplitude couplings were decreased more for IC than NC and might be due to a resetting mechanism. The complex patterns in phase-phase coupling between theta and beta/gamma suggest that the contribution of these oscillations to visual binding and stimulus processing are not as straightforward as conventionally held. Causality analyses further suggest that theta oscillations drive beta/gamma oscillations (see also Schroeder and Lakatos, 2009). The present findings highlight the need for applying more sophisticated signal analyses in order to establish a fuller understanding of the functional role of neural oscillations.

Post-switching beta synchronization reveals concomitant sensory reafferences and active inhibition processes

It is known that post-movement beta synchronization (PMBS) is involved both in active inhibition and in sensory reafferences processes. The aim of this study was examine the temporal and spatial dynamics of the PMBS involved during multi-limb coordination task. We investigated post-switching beta synchronization (assigned PMBS) using time-frequency and source estimations analyzes. Participants (n = 17) initiated an auditory-paced bimanual tapping. After a 1500 ms preparatory period, an imperative stimulus required to either selectively stop the left while maintaining the right unimanual tapping (Switch condition: SWIT) or to continue the bimanual tapping (Continue condition: CONT). PMBS significantly increased in SWIT compared to CONT with maximal difference within right central region in broad-band 14âeuro"30 Hz and within left central region in restricted-band 22âeuro"26 Hz. Source estimations localized these effects within right pre-frontal cortex and left parietal cortex, respectively. A negative correlation showed that participants with a low percentage of errors in SWIT had a large PMBS amplitude within right parietal and frontal cortices. This study shows for the first time simultaneous PMBS with distinct functions in different brain regions and frequency ranges. The left parietal PMBS restricted to 22âeuro"26 Hz could reflect the sensory reafferences of the right hand tapping disrupted by the switching. In contrast, the right pre-frontal PMBS in a broad-band 14âeuro"30 Hz is likely reflecting the active inhibition of the left hand stopped. Finally, correlations between behavioral performance and the magnitude of the PMBS suggest that beta oscillations can be viewed as a marker of successful active inhibition.

Identification of neuronal network properties from the spectral analysis of calcium imaging signals in neuronal cultures

Neuronal networks in vitro are prominent systems to study the development of connections in living neuronal networks and the interplay between connectivity, activity and function. These cultured networks show a rich spontaneous activity that evolves concurrently with the connectivity of the underlying network. In this work we monitor the development of neuronal cultures, and record their activity using calcium fluorescence imaging. We use spectral analysis to characterize global dynamical and structural traits of the neuronal cultures. We first observe that the power spectrum can be used as a signature of the state of the network, for instance when inhibition is active or silent, as well as a measure of the network's connectivity strength. Second, the power spectrum identifies prominent developmental changes in the network such as GABAA switch. And third, the analysis of the spatial distribution of the spectral density, in experiments with a controlled disintegration of the network through CNQX, an AMPA-glutamate receptor antagonist in excitatory neurons, reveals the existence of communities of strongly connected, highly active neurons that display synchronous oscillations. Our work illustrates the interest of spectral analysis for the study of in vitro networks, and its potential use as a network-state indicator, for instance to compare healthy and diseased neuronal networks.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

Early auditory processing

ABSTRACT (English)An accurate processing of the order between sensory events at the millisecond time scale is crucial for both sensori-motor and cognitive functions. Temporal order judgment (TOJ) tasks, is the ability of discriminating the order of presentation of several stimuli presented in a rapid succession. The aim of the present thesis is to further investigate the spatio-temporal brain mechanisms supporting TOJ. In three studies we focus on the dependency of TOJ accuracy on the brain states preceding the presentation of TOJ stimuli, the neural correlates of accurate vs. inaccurate TOJ and whether and how TOJ performance can be improved with training.In "Pre-stimulus beta oscillations within left posterior sylvian regions impact auditory temporal order judgment accuracy" (Bernasconi et al., 2011), we investigated if the brain activity immediately preceding the presentation of the stimuli modulates TOJ performance. By contrasting the electrophysiological activity before the stimulus presentation as a function of TOJ accuracy we observed a stronger pre-stimulus beta (20Hz) oscillatory activity within the left posterior sylvian region (PSR) before accurate than inaccurate TOJ trials.In "Interhemispheric coupling between the posterior sylvian regions impacts successful auditory temporal order judgment" (Bernasconi et al., 2010a), and "Plastic brain mechanisms for attaining auditory temporal order judgment proficiency" (Bernasconi et al., 2010b), we investigated the spatio-temporal brain dynamics underlying auditory TOJ. In both studies we observed a topographic modulation as a function of TOJ performance at ~40ms after the onset of the first sound, indicating the engagement of distinct configurations of intracranial generators. Source estimations in the first study revealed a bilateral PSR activity for both accurate and inaccurate TOJ trials. Moreover, activity within left, but not right, PSR correlated with TOJ performance. Source estimations in the second study revealed a training-induced left lateralization of the initial bilateral (i.e. PSR) brain response. Moreover, the activity within the left PSR region correlated with TOJ performance.Based on these results, we suggest that a "temporal stamp" is established within left PSR on the first sound within the pair at early stages (i.e. ~40ms) of cortical processes, but is critically modulated by inputs from right PSR (Bernasconi et al., 2010a; b). The "temporal stamp" on the first sound may be established via a sensory gating or prior entry mechanism.Behavioral and brain responses to identical stimuli can vary due to attention modulation, vary with experimental and task parameters or "internal noise". In a fourth experiment (Bernasconi et al., 2011b) we investigated where and when "neural noise" manifest during the stimulus processing. Contrasting the AEPs of identical sound perceived as High vs. Low pitch, a topographic modulation occurred at ca. 100ms after the onset of the sound. Source estimation revealed activity within regions compatible with pitch discrimination. Thus, we provided neurophysiological evidence for the variation in perception induced by "neural noise".ABSTRACT (French)Un traitement précis de l'ordre des événements sensoriels sur une échelle de temps de milliseconde est crucial pour les fonctions sensori-motrices et cognitives. Les tâches de jugement d'ordre temporel (JOT), consistant à présenter plusieurs stimuli en succession rapide, sont traditionnellement employées pour étudier les mécanismes neuronaux soutenant le traitement d'informations sensorielles qui varient rapidement. Le but de cette thèse est d'étudier le mécanisme cérébral soutenant JOT. Dans les trois études présentées nous nous sommes concentrés sur les états du cerveau précédant la présentation des stimuli de JOT, les bases neurales pour un JOT correct vs. incorrect et sur la possibilité et les moyens d'améliorer l'exécution du JOT grâce à un entraînement.Dans "Pre-stimulus beta oscillations within left posterior sylvian regions impact auditory temporal order judgment accuracy" (Bernasconi et al., 2011),, nous nous sommes intéressé à savoir si l'activité oscillatoire du cerveau au pré-stimulus modulait la performance du JOT. Nous avons contrasté l'activité électrophysiologique en fonction de la performance TOJ, mesurant une activité oscillatoire beta au pré-stimulus plus fort dans la région sylvian postérieure gauche (PSR) liée à un JOT correct.Dans "Interhemispheric coupling between the posterior sylvian regions impacts successful auditory temporal order judgment" (Bernasconi et al., 2010a), et "Plastic brain mechanisms for attaining auditory temporal order judgment proficiency" (Bernasconi et al., 2010b), nous avons étudié la dynamique spatio-temporelle dans le cerveau impliqué dans le traitement du JOT auditif. Dans ses deux études, nous avons observé une modulation topographique à ~40ms après le début du premier son, en fonction de la performance JOT, indiquant l'engagement des configurations de générateurs intra- crâniens distincts. La localisation de source dans la première étude indique une activité bilatérale de PSR pour des JOT corrects vs. incorrects. Par ailleurs, l'activité dans PSR gauche, mais pas dans le droit, est corrélée avec la performance du JOT. La localisation de source dans la deuxième étude indiquait une latéralisation gauche induite par l'entraînement d'une réponse initialement bilatérale du cerveau. D'ailleurs, l'activité dans la région PSR gauche corrèlait avec la performance de TOJ.Basé sur ces résultats, nous proposons qu'un « timbre-temporel » soit établi très tôt (c.-à-d. à ~40ms) sur le premier son par le PSR gauche, mais module par l'activité du PSR droite (Bernasconi et al., 2010a ; b). « Le timbre- temporel » sur le premier son peut être établi par le mécanisme neuronal de type « sensory gating » ou « prior entry ».Les réponses comportementales et du cerveau aux stimuli identiques peut varier du à des modulations d'attention ou à des variations dans les paramètres des tâches ou au bruit interne du cerveau. Dans une quatrième expérience (Bernasconi et al. 2011B), nous avons étudié où et quand le »bruit neuronal« se manifeste pendant le traitement des stimuli. En contrastant les AEPs de sons identiques perçus comme aigus vs. grave, nous avons mesuré une modulation topographique à env. 100ms après l'apparition du son. L'estimation de source a révélé une activité dans les régions compatibles avec la discrimination de fréquences. Ainsi, nous avons fourni des preuves neurophysiologiques de la variation de la perception induite par le «bruit neuronal».

Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.

Quantum transport phenomena and shallow impurity states in CdSb

This work is dedicated to investigation of the energy spectrum of one of the most anisotropic narrow-gap semiconductors, CdSb. At the beginning of the present studies even the model of its energy band structure was not clear. Measurements of galvanomagnetic effects in wide temperature range (1.6 - 300 K) and in magnetic fields up to 30 T were chosen for clarifying of the energy spectrum in the intentionally undoped CdSb single crystals and doped with shallow impurities (In, Ag). Detection of the Shubnikov - de Haas oscillations allowed estimating the fundamental energy spectrum parameters. The shapes of the Fermi surfaces of electrons (sphere) and holes (ellipsoid), the number of the equivalent extremums for valence band (2) and their positions in the Brillouin zone were determined for the first time in this work. Also anisotropy coefficients, components of the tensor of effective masses of carriers, effective masses of density of states, nonparabolicity of the conduction and valence bands, g-factor and its anisotropy for n- and p-CdSb were estimated for the first time during these studies. All the results obtained are compared with the cyclotron resonance data and the corresponding theoretical calculations for p-CdSb. This is basic information for the analyses of the complex transport properties of CdSb and for working out the energy spectrum model of the shallow energy levels of defects and impurities in this semiconductor. It was found out existence of different mechanisms of hopping conductivity in the presence of metal - insulator transition induced by magnetic field in n- and p-CdSb. Quite unusual feature opened in CdSb is that different types of hopping conductivity may take place in the same crystal depending on temperature, magnetic field or even orientation of crystal in magnetic field. Transport properties of undoped p-CdSb samples show that the anisotropy of the resistivity in weak and strong magnetic fields is determined completely by the anisotropy of the effective mass of the holes. Temperature and magnetic field dependence of the Hall coefficient and magnetoresistance is attributed to presence of two groups of holes with different concentrations and mobilities. The analysis demonstrates that below Tcr ~ 20 K and down to ~ 6 - 7 K the low-mobile carriers are itinerant holes with energy E2 ≈ 6 meV. The high-mobile carriers, at all temperatures T < Tcr, are holes activated thermally from a deeper acceptor band to itinerant states of a shallower acceptor band with energy E1 ≈ 3 meV. Analysis of temperature dependences of mobilities confirms the existence of the heavy-hole band or a non-equivalent maximum and two equivalent maxima of the light-hole valence band. Galvanomagnetic effects in n-CdSb reveal the existence of two groups of carriers. These are the electrons of a single minimum in isotropic conduction band and the itinerant electrons of the narrow impurity band, having at low temperatures the energies above the bottom of the conduction band. It is found that above this impurity band exists second impurity band of only localized states and the energy of both impurity bands depend on temperature so that they sink into the band gap when temperature is increased. The bands are splitted by the spin, and in strong magnetic fields the energy difference between them decreases and redistribution of the electrons between the two impurity bands takes place. Mobility of the conduction band carriers demonstrates that scattering in n-CdSb at low temperatures is strongly anisotropic. This is because of domination from scattering on the neutral impurity centers and increasing of the contribution to mobility from scattering by acoustic phonons when temperature increases. Metallic conductivity in zero or weak magnetic field is changed to activated conductivity with increasing of magnetic field. This exhibits a metal-insulator transition (MIT) induced by the magnetic field due to shift of the Fermi level from the interval of extended states to that of the localized states of the electron spectrum near the edge of the conduction band. The Mott variablerange hopping conductivity is observed in the low- and high-field intervals on the insulating side of the MIT. The results yield information about the density of states, the localization radius of the resonant impurity band with completely localized states and about the donor band. In high magnetic fields this band is separated from the conduction band and lies below the resonant impurity bands.

Syndrome de vasoconstriction cérébrale réversible : identifications de facteurs pronostiques = [Reversible cerebral vasoconstriction syndrome identification of pronostic factors]

Objectif : Le syndrome de vasoconstriction cérébrale réversible (SVCR) est une entité clinico-radiologique associant des céphalées paroxystiques à un vasospasme uni- ou multifocal réversible des artères cérébrales avec ou sans déficit neurologique transitoire ou crise comitiale. Le but de notre étude est de rechercher les facteurs de mauvais pronostic des patients présentant un SVCR. Méthode : Nous avons réalisé une étude rétrospective des imageries vasculaires cérébrales invasives et non invasives entre janvier 2006 et 2011 et avons retenu 10 patients présentant les critères du RCVS. Les données démographiques, facteurs de risque vasculaires ainsi que l'évolution de chaque patient ont été noté. Résultats : Sept des 10 patients sont des femmes, avec un âge médian de 46 ans. Quatre patients ne présentaient pas de facteur étiologique, deux femmes se trouvaient en période post-partum (entre la première et la troisième semaine) et les trois autres cas sont induits par des drogues vaso-actives (cannabis pour 2 cas dont un associé à la cyclosporine, sumatriptan pour un cas). La durée moyenne du suivi est de 10,2 mois (0¬28 mois). Deux patients ont présentés une séquelle neurologique : un a gardé des troubles phasiques et l'autre une hémianopsie latérale homonyme. Deux autres patients sont décédés dans les suites, ce qui est inhabituel. Nous n'avons pas trouvé de corrélation d'évolution différente entre les cas de SVCR primaire ou secondaire. Les seules facteurs corrélaient à l'évolution clinique sont le status neurologique à l'admission et la présence de lésion parenchymateuse (ischémie ou hématome) à l'imagerie. Conclusion : La vasoconstriction cérébrale réversible impliquant des déficits neurologiques ou la mort a été, rarement, rapportée. Nous devons garder à l'esprit qu'une telle évolution peut survenir notamment pour les cas présentant un état neurologique dégradé à l'admission ou présentant des lésions parenchymateuses à l'imagerie.

Investigations of GaAs based heterostructures for spintronics

In the present work are reported investigations of structural, magnetic and electronic properties of GaAs/Ga1-xInxAs/GaAs quantum wells (QW) having a 0.5 - 1.8 monolayer thick Mn layer, separated from the quantum well by a 3 nm thick spacer. The structure of the samples is analyzed in details by photoluminescence and high-resolution X-ray difractometry and reflectometry, confirming that Mn atoms are practically absent from the QW. Transport properties and crystal structure are analyzed for the first time for this type of QW structures with so high mobility. Observedconductivity and the Hall effect in quantizing magnetic fields in wide temperature range, defined by transport of holes in the quantum well, demonstrate properties inherent to ferromagnetic systems with spin polarization of charge carriersin the QW. Investigation of the Shubnikov ¿ de Haas and the Hall effects gave the possibility to estimate the energy band parameters such as cyclotron mass andFermi level and calculate concentrations and mobilities of holes and show the high-quality of structures. Magnetic ordering is confirmed by the existence of the anomalous Hall effect.

European climate variations over the past half-millennium reconstructed from groundwater

Temperature reconstructions for recent centuries are the basis of estimations of the natural variability in the climate system before and during the onset of anthropogenic perturbation. Here we present, for the first time, an independent and physically based reconstruction of mean annual temperature over the past half millennium obtained from groundwater in France. The reconstructed noble gas temperature (NGT) record suggests cooler than present climate conditions throughout the 16th-19th centuries. Periods of warming occur in the 17th-18th and 20th century, while cooling is reconstructed in the 19th century. A noticeable coincidence with other temperature records is demonstrated. Deuterium excess varies in parallel with the NGT, and indicates variation in the seasonality of the aquifer recharge; whereas high excess air in groundwater indicates periods with high oscillations of the water table.

Galvanomagnetic effects in strongly doped p-Bi2Te3:Sn crystals

Magnetic field dependencies of Hall coefficient and magnetoresistivity are investigated in classical and quantizing magnetic fields in p-Bi2Te3 crystals heavily doped with Sn grown by Czochralsky method. Magnetic field was parallel to the trigonal axis C3. Shubnikov-de Haas effect and quantum oscillations of the Hall coefficient were measured at temperatures 4.2 K and 11 K. On the basis of the magnetic field dependence of the Hall coefficient a method of estimation of the Hall factor and Hall mobility using the Drabble- Wolf six ellipsoid model is proposed. Shubnikov-de Haas effect and quantum oscillations of the Hall coefficient were observed at 4.2 K and 11 K. New evidence for the existence of the narrow band of Sn impurity states was shown. This band is partly filled by electrons and it is overlapping with the valence states of the light holes. Parameters of the impurity states, their energy ESn - 15 meV, band broadening ¿<< k0T and localization radius of the impuritystate R - 30 Å were obtained.

Developmental critical period in genetic redox dysregulation: animal and human studies in schizophrenia

Converging evidence favors an abnormal susceptibility to oxidative stress in schizophrenia. Decreased levels of glutathione (GSH), the major cellular antioxidant and redox regulator, was observed in cerebrospinal-fluid and prefrontal cortex of patients. Importantly, abnormal GSH synthesis of genetic origin was observed: Two case-control studies showed an association with a GAG trinucleotide repeat (TNR) polymorphism in the GSH key synthesizing enzyme glutamate-cysteine-ligase (GCL) catalytic subunit (GCLC) gene. The most common TNR genotype 7/7 was more frequent in controls, whereas the rarest TNR genotype 8/8 was three times more frequent in patients. The disease associated genotypes (35% of patients) correlated with decreased GCLC protein, GCL activity and GSH content. Similar GSH system anomalies were observed in early psychosis patients. Such redox dysregulation combined with environmental stressors at specific developmental stages could underlie structural and functional connectivity anomalies. In pharmacological and knock-out (KO) models, GSH deficit induces anomalies analogous to those reported in patients. (a) morphology: spine density and GABA-parvalbumine immunoreactivity (PV-I) were decreased in anterior cingulate cortex. KO mice showed delayed cortical PV-I at PD10. This effect is exacerbated in mice with increased DA from PD5-10. KO mice exhibit cortical impairment in myelin and perineuronal net known to modulate PV connectivity. (b) physiology: In cultured neurons, NMDA response are depressed by D2 activation. In hippocampus, NMDA-dependent synaptic plasticity is impaired and kainate induced g-oscillations are reduced in parallel to PV-I. (c) cognition: low GSH models show increased sensitivity to stress, hyperactivity, abnormal object recognition, olfactory integration and social behavior. In a clinical study, GSH precursor N-acetyl cysteine (NAC) as add on therapy, improves the negative symptoms and decreases the side effects of antipsychotics. In an auditory oddball paradigm, NAC improves the mismatched negativity, an evoked potential related to pre-attention and to NMDA receptors function. In summary, clinical and experimental evidence converge to demonstrate that a genetically induced dysregulation of GSH synthesis combined with environmental insults in early development represent a major risk factor contributing to the development of schizophrenia

Classifying minimally disabled multiple sclerosis patients from resting state functional connectivity.

Multiple sclerosis (MS), a variable and diffuse disease affecting white and gray matter, is known to cause functional connectivity anomalies in patients. However, related studies published to-date are post hoc; our hypothesis was that such alterations could discriminate between patients and healthy controls in a predictive setting, laying the groundwork for imaging-based prognosis. Using functional magnetic resonance imaging resting state data of 22 minimally disabled MS patients and 14 controls, we developed a predictive model of connectivity alterations in MS: a whole-brain connectivity matrix was built for each subject from the slow oscillations (<0.11Hz) of region-averaged time series, and a pattern recognition technique was used to learn a discriminant function indicating which particular functional connections are most affected by disease. Classification performance using strict cross-validation yielded a sensitivity of 82% (above chance at p<0.005) and specificity of 86% (p<0.01) to distinguish between MS patients and controls. The most discriminative connectivity changes were found in subcortical and temporal regions, and contralateral connections were more discriminative than ipsilateral connections. The pattern of decreased discriminative connections can be summarized post hoc in an index that correlates positively (ρ=0.61) with white matter lesion load, possibly indicating functional reorganisation to cope with increasing lesion load. These results are consistent with a subtle but widespread impact of lesions in white matter and in gray matter structures serving as high-level integrative hubs. These findings suggest that predictive models of resting state fMRI can reveal specific anomalies due to MS with high sensitivity and specificity, potentially leading to new non-invasive markers.

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.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.