Littérature scientifique sur le sujet « Réseaux neuronaux (physiologie) – Lésions et blessures »

Nous avons étudiés, sur une préparation in vitro du réseau neuronal contrôlant l'articulation coxobasale de la patte chez l'écrevisse, deux mécanismes modifiant le fonctionnement du réflexe de résistance. Ce réflexe est un élément clé du maintien postural chez l'animal. En utilisant une combinaison d'approches anatomique, électrophysiologique, pharmacologique et de simulation numérique, nous avons, dans un premier temps, précisé l'organisation des voies sensori-motrices impliquées dans ce réflexe. Puis, nous avons étudié les modifications fonctionnelles de ce réseau dans deux contextes : 1)Nous avons montré que la 5HT induit une augmentation du gain du réflexe de résistance. La réponse réflexe des motoneurones augmente jusqu'à 300 %, par une multiplicité d'effets coopératifs sur différentes cibles. Les motoneurones, légèrement dépolarisés présentent une augmentation notable de leur résistance d'entrée. Cependant, l'effet majeur de la 5HT se porte sur les interneurones du circuit réflexe dont l'excitabilité et la transmission synaptique vers les motoneurones sont accrues. 2)Dans un contexte très différent, nous avons analysé la plasticité post-lésionnelle des voies sensori-motrices après section du nerf sensoriel. Nous avons montré que les neurones privés de leur corps cellulaire ne dégénèrent pas mais, en l'absence d'activité, le fonctionnement de leurs synapses est modifié. Si, fonctionnellement, les connexions monosynaptiques disparaissent 20 jours après la perte du propriocepteur, les voies polysynaptiques persistent encore jusqu'à six mois. Lorsque toutes les connexions sont devenues inefficaces, il est possible de les restaurer par un protocole de stimulation électrique du nerf sensoriel. En conclusion, ces données suggèrent que l'étage interneuronale joue un rôle capital dans le réglage du fonctionnement de ce réseau, tant en ce qui concerne la neuromodulation sérotoninergique que la maintien de la fonctionnalité des voies sensorimotrices.

Les circuits neuronaux sont mis en place et progressivement raffinés au cours d'une période postnatale dite de plasticité critique, pendant laquelle métabolisme énergétique et maturation neuronale sont étroitement liés. Bien que les lésions du SNC survenant au cours de cette période guérissent mieux que celles survenant plus tard durant la vie, elles sont souvent associées à des déficits cognitifs à long terme, ce qui suggère une réparation incomplète ou inappropriée des circuits neuronaux. Durant ma thèse j’ai utilisé un modèle murin de naissance très prématurée (hypoxie néonatale chronique), pour étudier l'impact à long terme des lésions cérébrales sur le métabolisme énergétique et la formation des circuits corticaux. Mes résultats montrent que l'expression de protéines mitochondriales essentielles est réduite dans le cerveau de souris hypoxiques, suggérant des défauts métaboliques à long terme. Ceci s’accompagne d’une altération de l’arborisation dendritique des neurones glutamatergiques, d’une hyper connectivité corticale globale ainsi que d'une redistribution des connexions corticales à courte et longue distance. Enfin, mes résultats indiquent une altération de la nouveauté sociale chez les souris hypoxiques adultes, qui s'amplifie avec le temps. Ce travail sera poursuivi en 4ème année, durant laquelle je caractériserai des altérations métaboliques neuronales résultant de la période d’hypoxique périnatale. De plus, à l'aide de pipelines de quantification semi-automatisés développés par notre collaborateur, je corrélerai les changements globaux de l'activité neuronale durant la tâche de sociabilité, ce qui fournira des informations reliant l'altération des circuits aux déficits comportementaux observés. A terme, mon travail de thèse permettra de mieux comprendre comment des lésions précoces peuvent impacter le métabolisme neuronal, la connectivité corticale, ainsi que les comportements associés à l'âge adulte
Neural circuits are built at perinatal times and gradually refined during a postnatal period of critical plasticity. During this period, energy metabolism and neuronal maturation are tightly linked. Although lesions of the CNS occurring during this period recover better than those occurring later in life, they are often associated with long-term cognitive deficits, which suggests that neuronal circuits rewiring is either incomplete or inappropriate. I used chronic neonatal hypoxia, a mouse model of very premature birth, to study the long-term impact of brain injuries on energy metabolism and cortical circuits formation. My work shows a reduction of expression of essential mitochondrial proteins, suggesting long-term metabolic defects resulting from the initial hypoxic insult. My results also reveal alterations of glutamatergic neurons’ dendritic arborizations that differentially affect their apical and basal dendritic compartments. These dendritic alterations are paralleled by a global cortical hyperconnectivity as well as a redistribution of short- and long-distance cortical connections. Finally, testing of sociability reveals an impairment for social novelty in young adult hypoxic mice, which amplifies in adulthood. This work will be continued with the 4th year in order to link these observations mechanistically. In Particular, I seek to characterize the nature of the metabolic alterations in cortical glutamatergic neurons resulting from the perinatal hypoxic period. Furthermore, using semi-automated quantification pipelines developed by our collaborator I will correlate global changes in neural activity during the sociability task, which will provide information linking circuits alteration and the observed behavioral deficits. Altogether, my thesis work will provide a better knowledge of how early metabolic insults can impact neuronal metabolism, cortical connectivity, as well as associated behaviors later in life

La compréhension des mécanismes cognitifs est un défi que les prouesses technologiques en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle et de diffusion permettent de relever. Les réseaux neuronaux, ensembles de régions interconnectées anatomiquement et fonctionnellement, sont à l'ori- gine des processus cognitifs. Nous nous sommes intéressés à la relation entre la structure anatomique et la fonction de ces réseaux, au travers des deux principes fondamentaux du fonctionnement céré- bral que sont la ségrégation et l'intégration, ainsi que via la notion d'intégrité. En premier lieu, nous nous sommes penchés sur la ségrégation anatomique des noyaux gris centraux et son interprétation fonctionnelle. Puis, nous avons abordé le principe d'intégration, d'un point de vue descriptif par le biais de la théorie des graphes, puis explicatif par l'utilisation du modèle spatial autorégressif. Enfin, nous avons étudié l'intégrité structurelle du cerveau en présence de déficits neurocomportementaux suite à un traumatisme crânien léger. Nous avons ainsi mis en évidence l'existence d'un substrat ana- tomique sous-jacent aux réseaux fonctionnels. Nos résultats suggèrent que la structure anatomique des réseaux cérébraux est un substrat complexe optimisant les processus fonctionnels. De plus, une perte d'intégrité de ce substrat anatomique lors d'un traumatisme crânien léger se répercute sur le comportement et les performances cognitives. Ceci démontre que le fonctionnement cérébral, traduit par les réseaux neuronaux, est intimement lié à la structure anatomique de ces réseaux.

Avec le vieillissement démographique, de plus en plus d’aînés subiront un traumatisme crânio-cérébral léger (TCCL). Bien que l’occurrence de séquelles cognitives persistantes à la suite d’un TCCL demeure controversée, quelques études ayant manipulé la charge attentionnelle en encodage ont détecté des atteintes subtiles du fonctionnement cognitif et ce, plusieurs années post-TCCL. À cet effet, les outils diagnostiques utilisés en clinique et en recherche, tant les épreuves neuropsychologiques que les techniques de neuroimagerie, ne seraient pas suffisamment sensibles pour déceler les atteintes chroniques induites par un TCCL. Toutefois, la technique des potentiels évoqués (PE) est une approche qui s’est avérée efficace pour détecter les altérations neurophysiologiques causées par un tel traumatisme. La présente thèse visait à identifier les effets de l’attention divisée (Étude 1), du vieillissement normal (Étude 1) et du TCCL (Étude 2) sur les différents PE impliqués en encodage. Les résultats de l’Étude 1 ont démontré que l’ajout d’une tâche secondaire en encodage interfère avec la capture attentionnelle du stimulus et avec l’utilisation de stratégies d’encodage. De plus, l’encodage en attention divisée requiert une sollicitation accrue des fonctions exécutives chez les aînés, alors que ce recrutement n’est pas observé chez les jeunes adultes. Également, les aînés ont plus de difficulté à utiliser une stratégie d’encodage efficace. Ces résultats appuient davantage la théorie de la diminution des ressources attentionnelles avec l’âge bien que quelques indices suggérant la présence d’un déclin exécutif concomitant soient relevés. L’objectif de l’Étude 2 consistait à identifier les effets persistants du TCCL sur les PE en encodage chez une clientèle âgée. Les résultats ont montré que les aînés avec un TCCL présentent une atteinte de la mémoire de travail expliquée par un ralentissement de la vitesse de traitement ainsi qu’une perte des mécanismes de compensation habituellement observés chez les personnes âgées saines. Cette thèse contribue à une meilleure compréhension des causes du déclin mnésique associé au vieillissement et à l’identification d’instruments diagnostiques sensibles aux effets persistants du TCCL. Une connaissance approfondie de tels effets ont aussi permis de déterminer des types d’intervention efficaces pour préserver ou améliorer la cognition des aînés avec ou sans TCCL.
With the aging population, the incidence of mild traumatic brain injury (MTBI) in elders will probably increase. Even though the presence of persistent cognitive disabilities after a MTBI still remain controversial, a few studies having manipulated the attentional load during encoding have detected subtle alterations of cognitive functioning several years post-MTBI. Indeed, it is currently well accepted that diagnostic tools used in clinical and research settings, such as neuropsychological tests and neuroimaging techniques, are not sufficiently sensitive to detect chronic impairments induced by MTBI. However, the event-related potentials (ERP) technique is an efficient approach to identify the neurophysiological alterations caused by MTBI. The current thesis aimed to determine the effects of divided attention (Study 1), normal aging (Study 1) and MTBI (Study 2) on the different ERP solicited during encoding. The results of Study 1 demonstrate that the addition of a secondary task during episodic encoding interfere with attentional capture of the stimulus and with efficient use of encoding strategies. Moreover, encoding under divided attention requires a greater solicitation of executive functions in order to sustain encoding in elders. This activity is not observed in young adults. In addition, the elders struggle to use encoding strategies. These findings further support the decrease of attentional resources in aging’s theory, but some executive dysfunctions were also observed. Study 2 aimed to identify the persistent effects of MTBI on ERP in encoding among elders. The results show that the elders with a MTBI have working memory impairments due to a slowed processing speed and a decline in use of compensation mechanisms, normally observed in healthy elders. This thesis contributes to a better understanding of the causes of age-related memory decline and to the identification of diagnostic tools which are further sensitive to the chronic effects of MTBI. This in-depth knowledge on these effects can allow the identification of effective interventions to preserve or improve cognition in elders with or without MTBI.

Certains résultats récents de recherche suggèrent que les atteintes musculosquelettiques s’accompagnent de changements centraux qui pourraient contribuer à la chronicité des déficits. Dans cette thèse, la cartographie cérébrale par stimulation magnétique transcrânienne a été utilisée pour évaluer la présence de changements corticospinaux associés à un changement d’utilisation d’un membre, en contexte expérimental et en présence d’une lésion musculosquelettique réelle. Les résultats obtenus appuient l’existence d’une plasticité cérébrale motrice accompagnant une réduction de l’usage d’un membre. Spécifiquement, les résultats démontrent une diminution de l’excitabilité cortico-spinale dans l’hémisphère contrôlant le membre affecté et dont l’utilisation est réduite. Ce changement d’excitabilité chez les patients a été trouvé associé à la durée de la douleur, suggérant que la chronicité est un facteur d’impact au niveau corticospinal. En plus de ces observations importantes sur le plan clinique, les résultats de cette thèse ont permis certaines avancées sur le plan méthodologique. Ceux-ci démontrent que les cartes corticales de la représentation d’un muscle sont similaires, que celles-ci soient obtenues avec le muscle en actif ou avec le muscle au repos. De plus, la majorité des mesures issues de la stimulation magnétique présente une bonne fidélité test-retest à court- et long-terme. Par ailleurs, bien que la musculature proximale du membre supérieur soit importante du point de vue clinique, celle-ci a fait l’objet de très peu d’études au plan neurophysiologique. Dans cette thèse, cette représentation a été décrite chez des sujets sains aussi bien que chez des patients. Ces données constituent donc une référence importante pour des études subséquentes portant sur des problématiques spécifiques impliquant cette musculature. En somme, la présence d’altérations au sein des représentations centrales du mouvement, en lien avec une diminution d’utilisation d’un membre, suggère qu’une intervention visant les représentations centrales du mouvement, et non uniquement les structures périphériques, pourrait être utile en réadaptation musculosquelettique.