Low intensity rTMS to the cerebellum : age dependent effects and mechanisms underlying neural circuit plasticity

• Main Author: Dufor, Tom
• Other Authors: Paris 6
• Language: en
• Published: 2017
• Subjects: Stimulation magnétique; Faible intensité; Cervelet; Plasticité neuronale; Réinnervation; Cellules de Purkinje; Magnetic stimulation; Cerebellum; Neuronal plastcity; 612.8
• Online Access: http://www.theses.fr/2017PA066270/document

Les mécanismes de neuroplasticité sont essentiels pour la mise en place et le renforcement des circuits neuronaux lors de périodes critiques du développement, et permettent au cerveau de s'adapter au cours des différentes étapes de la vie. Ces mécanismes varient avec l'âge, sont généralement plus difficile à activer chez l'adulte, et diminuent dans le cerveau âgé. La stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est actuellement utilisée pour moduler l'excitabilité corticale et est décrite comme prometteuse dans le traitement de certains troubles neurologiques. La rTMS de faible intensité (LI-rTMS), ne déclenchant pas directement de potentiels d'action dans les neurones stimulés, a aussi montré des effets thérapeutiques, il est donc important de comprendre les effets biologiques de ces champs magnétiques d'intensités similaires à celles présentes dans les régions adjacentes à la région ciblée par la rTMS de haute intensité. Nous avons utilisé une stimulation magnétique focale de faible intensité (10 mT), ciblant le cervelet ainsi que la voie olivocérébelleuse chez la souris, afin d'aborder certaines de ces questions. Le cervelet est un modèle pertinent, en effet son développement, sa structure, son vieillissement et ses fonctions sont bien décrits, facilitant la détection d'éventuelles modifications dans cette région. Nous avons étudié les effets de LI-rTMS, in vivo ou in vitro, sur la morphologie neuronale, le comportement, et la plasticité post-lésionnelle. Dans une première étude nous avons montré que la LI-rTMS in vivo modifie les épines et la morphologie dendritique des cellules de Purkinje, ces modifications sont associées à une amélioration de la mémoire. === Neuroplasticity is essential for the establishment and strengthening of neural circuits during the critical period of development, and are required for the brain to adapt to its environment. The mechanisms of plasticity vary throughout life, are generally more difficult to induce in the adult brain, and decrease with advancing age. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is commonly used to modulate cortical excitability and shows promise in the treatment of some neurological disorders. Low intensity magnetic stimulation (LI-rTMS), which does not directly elicit action potentials in the stimulated neurons, have also shown some therapeutic effects, and it is important to determine the biological mechanisms underlying the effects of these low intensity magnetic fields, such as would occur in the regions surrounding the central high-intensity focus of rTMS. We have used a focal low-intensity magnetic stimulation (10mT) to address some of these issues in the mouse cerebellum and olivocerebellar path. The cerebellum model is particularly useful as its development, structure, ageing and function are well described which allows us to easily detect eventual modifications. We assessed effects of in vivo or in vitro LI-rTMS on neuronal morphology, behavior, and post-lesion plasticity. We first showed that LI-rTMS treatment in vivo alters dendritic spines and dendritic morphology, in association with improved spatial memory. These effects were age dependent. To optimize stimulation parameters in order to induce post-lesion reinnervation we used our in vitro model of post-lesion repair to systematically investigate the effects of different LI-rTMS stimulation patterns and frequencies. We showed that the pattern of stimulation is critical for allowing repair, rather than the total number of stimulation pulses. Finally, we looked for potential underlying mechanisms participating in the effects of the LI-rTMS, using mouse mutants in vivo or in vitro. We found that the cryptochromes, which have magnetoreceptor properties, must be present for the response to magnetic stimulation to be transduced into biological effects. The ensemble of our results indicate that the effects of LI-rTMS depend upon the presence of magnetoreceptors, the stimulation protocol, and the age of the animal suggesting that future therapeutic strategies must be adapted to the neuronal context in each individual person.