Diffusion spectrum imaging shows the structural basis of functional cerebellar circuits in the human cerebellum in vivo.

BACKGROUND: The cerebellum is a complex structure that can be affected by several congenital and acquired diseases leading to alteration of its function and neuronal circuits. Identifying the structural bases of cerebellar neuronal networks in humans in vivo may provide biomarkers for diagnosis and management of cerebellar diseases. OBJECTIVES: To define the anatomy of intrinsic and extrinsic cerebellar circuits using high-angular resolution diffusion spectrum imaging (DSI). METHODS: We acquired high-resolution structural MRI and DSI of the cerebellum in four healthy female subjects at 3T. DSI tractography based on a streamline algorithm was performed to identify the circuits connecting the cerebellar cortex with the deep cerebellar nuclei, selected brainstem nuclei, and the thalamus. RESULTS: Using in-vivo DSI in humans we were able to demonstrate the structure of the following cerebellar neuronal circuits: (1) connections of the inferior olivary nucleus with the cerebellar cortex, and with the deep cerebellar nuclei (2) connections between the cerebellar cortex and the deep cerebellar nuclei, (3) connections of the deep cerebellar nuclei conveyed in the superior (SCP), middle (MCP) and inferior (ICP) cerebellar peduncles, (4) complex intersections of fibers in the SCP, MCP and ICP, and (5) connections between the deep cerebellar nuclei and the red nucleus and the thalamus. CONCLUSION: For the first time, we show that DSI tractography in humans in vivo is capable of revealing the structural bases of complex cerebellar networks. DSI thus appears to be a promising imaging method for characterizing anatomical disruptions that occur in cerebellar diseases, and for monitoring response to therapeutic interventions.

Roles of mGluR5 in synaptic function and plasticity of the mouse thalamocortical pathway.

The group I metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) has been implicated in the development of cortical sensory maps. However, its precise roles in the synaptic function and plasticity of thalamocortical (TC) connections remain unknown. Here we first show that in mGluR5 knockout (KO) mice bred onto a C57BL6 background cytoarchitectonic differentiation into barrels is missing, but the representations for large whiskers are identifiable as clusters of TC afferents. The altered dendritic morphology of cortical layer IV spiny stellate neurons in mGluR5 KO mice implicates a role for mGluR5 in the dendritic morphogenesis of excitatory neurons. Next, in vivo single-unit recordings of whisker-evoked activity in mGluR5 KO adults demonstrated a preserved topographical organization of the whisker representation, but a significantly diminished temporal discrimination of center to surround whiskers in the responses of individual neurons. To evaluate synaptic function at TC synapses in mGluR5 KO mice, whole-cell voltage-clamp recording was conducted in acute TC brain slices prepared from postnatal day 4-11 mice. At mGluR5 KO TC synapses, N-methyl-D-aspartate (NMDA) currents decayed faster and synaptic strength was more easily reduced, but more difficult to strengthen by Hebbian-type pairing protocols, despite a normal developmental increase in alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR)-mediated currents and presynaptic function. We have therefore demonstrated that mGluR5 is required for synaptic function/plasticity at TC synapses as barrels are forming, and we propose that these functional alterations at the TC synapse are the basis of the abnormal anatomical and functional development of the somatosensory cortex in the mGluR5 KO mouse.

Quantifying network properties in multi-electrode recordings: spatiotemporal characterization and inter-trial variation of evoked gamma oscillations in mouse somatosensory cortex in vitro.

Linking the structural connectivity of brain circuits to their cooperative dynamics and emergent functions is a central aim of neuroscience research. Graph theory has recently been applied to study the structure-function relationship of networks, where dynamical similarity of different nodes has been turned into a "static" functional connection. However, the capability of the brain to adapt, learn and process external stimuli requires a constant dynamical functional rewiring between circuitries and cell assemblies. Hence, we must capture the changes of network functional connectivity over time. Multi-electrode array data present a unique challenge within this framework. We study the dynamics of gamma oscillations in acute slices of the somatosensory cortex from juvenile mice recorded by planar multi-electrode arrays. Bursts of gamma oscillatory activity lasting a few hundred milliseconds could be initiated only by brief trains of electrical stimulations applied at the deepest cortical layers and simultaneously delivered at multiple locations. Local field potentials were used to study the spatio-temporal properties and the instantaneous synchronization profile of the gamma oscillatory activity, combined with current source density (CSD) analysis. Pair-wise differences in the oscillation phase were used to determine the presence of instantaneous synchronization between the different sites of the circuitry during the oscillatory period. Despite variation in the duration of the oscillatory response over successive trials, they showed a constant average power, suggesting that the rate of expenditure of energy during the gamma bursts is consistent across repeated stimulations. Within each gamma burst, the functional connectivity map reflected the columnar organization of the neocortex. Over successive trials, an apparently random rearrangement of the functional connectivity was observed, with a more stable columnar than horizontal organization. This work reveals new features of evoked gamma oscillations in developing cortex.

Artificial neural network study of whole-cell bacterial bioreporter response determined using fluorescence flow cytometry.

Genetically engineered bioreporters are an excellent complement to traditional methods of chemical analysis. The application of fluorescence flow cytometry to detection of bioreporter response enables rapid and efficient characterization of bacterial bioreporter population response on a single-cell basis. In the present study, intrapopulation response variability was used to obtain higher analytical sensitivity and precision. We have analyzed flow cytometric data for an arsenic-sensitive bacterial bioreporter using an artificial neural network-based adaptive clustering approach (a single-layer perceptron model). Results for this approach are far superior to other methods that we have applied to this fluorescent bioreporter (e.g., the arsenic detection limit is 0.01 microM, substantially lower than for other detection methods/algorithms). The approach is highly efficient computationally and can be implemented on a real-time basis, thus having potential for future development of high-throughput screening applications.

A miR-34a-SIRT6 axis in the squamous cell differentiation network.

Squamous cell carcinomas (SCCs) are highly heterogeneous tumours, resulting from deranged expression of genes involved in squamous cell differentiation. Here we report that microRNA-34a (miR-34a) functions as a novel node in the squamous cell differentiation network, with SIRT6 as a critical target. miR-34a expression increases with keratinocyte differentiation, while it is suppressed in skin and oral SCCs, SCC cell lines, and aberrantly differentiating primary human keratinocytes (HKCs). Expression of this miRNA is restored in SCC cells, in parallel with differentiation, by reversion of genomic DNA methylation or wild-type p53 expression. In normal HKCs, the pro-differentiation effects of increased p53 activity or UVB exposure are miR-34a-dependent, and increased miR-34a levels are sufficient to induce differentiation of these cells both in vitro and in vivo. SIRT6, a sirtuin family member not previously connected with miR-34a function, is a direct target of this miRNA in HKCs, and SIRT6 down-modulation is sufficient to reproduce the miR-34a pro-differentiation effects. The findings are of likely biological significance, as SIRT6 is oppositely expressed to miR-34a in normal keratinocytes and keratinocyte-derived tumours.

Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

CD8beta endows CD8 with efficient coreceptor function by coupling T cell receptor/CD3 to raft-associated CD8/p56(lck) complexes.

The extraordinary sensitivity of CD8+ T cells to recognize antigen impinges to a large extent on the coreceptor CD8. While several studies have shown that the CD8beta chain endows CD8 with efficient coreceptor function, the molecular basis for this is enigmatic. Here we report that cell-associated CD8alphabeta, but not CD8alphaalpha or soluble CD8alphabeta, substantially increases the avidity of T cell receptor (TCR)-ligand binding. To elucidate how the cytoplasmic and transmembrane portions of CD8beta endow CD8 with efficient coreceptor function, we examined T1.4 T cell hybridomas transfected with various CD8beta constructs. T1.4 hybridomas recognize a photoreactive Plasmodium berghei circumsporozoite (PbCS) peptide derivative (PbCS (4-azidobezoic acid [ABA])) in the context of H-2K(d), and permit assessment of TCR-ligand binding by TCR photoaffinity labeling. We find that the cytoplasmic portion of CD8beta, mainly due to its palmitoylation, mediates partitioning of CD8 in lipid rafts, where it efficiently associates with p56(lck). In addition, the cytoplasmic portion of CD8beta mediates constitutive association of CD8 with TCR/CD3. The resulting TCR-CD8 adducts exhibit high affinity for major histocompatibility complex (MHC)-peptide. Importantly, because CD8alphabeta partitions in rafts, its interaction with TCR/CD3 promotes raft association of TCR/CD3. Engagement of these TCR/CD3-CD8/lck adducts by multimeric MHC-peptide induces activation of p56(lck) in rafts, which in turn phosphorylates CD3 and initiates T cell activation.

Additive functions in boolean models of gene regulatory network modules.

Gene-on-gene regulations are key components of every living organism. Dynamical abstract models of genetic regulatory networks help explain the genome's evolvability and robustness. These properties can be attributed to the structural topology of the graph formed by genes, as vertices, and regulatory interactions, as edges. Moreover, the actual gene interaction of each gene is believed to play a key role in the stability of the structure. With advances in biology, some effort was deployed to develop update functions in Boolean models that include recent knowledge. We combine real-life gene interaction networks with novel update functions in a Boolean model. We use two sub-networks of biological organisms, the yeast cell-cycle and the mouse embryonic stem cell, as topological support for our system. On these structures, we substitute the original random update functions by a novel threshold-based dynamic function in which the promoting and repressing effect of each interaction is considered. We use a third real-life regulatory network, along with its inferred Boolean update functions to validate the proposed update function. Results of this validation hint to increased biological plausibility of the threshold-based function. To investigate the dynamical behavior of this new model, we visualized the phase transition between order and chaos into the critical regime using Derrida plots. We complement the qualitative nature of Derrida plots with an alternative measure, the criticality distance, that also allows to discriminate between regimes in a quantitative way. Simulation on both real-life genetic regulatory networks show that there exists a set of parameters that allows the systems to operate in the critical region. This new model includes experimentally derived biological information and recent discoveries, which makes it potentially useful to guide experimental research. The update function confers additional realism to the model, while reducing the complexity and solution space, thus making it easier to investigate.

Insulin and NPY pathways and the control of GnRH function and puberty onset.

Energy balance exerts a critical influence on reproductive function. Leptin and insulin are among the metabolic factors signaling the nutritional status of an individual to the hypothalamus, and their role in the overall modulation of the activity of GnRH neurons is increasingly recognized. As such, they participate to a more generalized phenomenon: the signaling of peripheral metabolic changes to the central nervous system. The physiological importance that the interactions occurring between peripheral metabolic factors and the central nervous system bear for the control of food intake is increasingly recognized. The central mechanisms implicated are the focus of attention of very many research groups worldwide. We review here the experimental data that suggest that similar mechanisms are at play for the metabolic control of the neuroendocrine reproductive function. It is appearing that metabolic signals are integrated at the levels of first-order neurons equipped with the proper receptors, ant that these neurons send their signals towards hypothalamic GnRH neurons which constitute the integrative element of this network.

The neurobiological basis of prefrontal cortex impairment in the phencyclidine model of schizophrenia : convergent reduction of synaptic glutamate release, energy metabolism and cognitive performance

RÉSUMÉ : Le traitement répété à la phencyclidine (PCP), un bloqueur du récepteur NMDA (NMDAR), reproduit chez les rongeurs une partie de la symptomatologie typique de la schizophrénie. Le blocage prolongé du NMDAR par la PCP mime une hypofunction du NMDAR, une des principales altérations supposées exister dans les cerveaux des patients schizophréniques. Le but de notre étude était d'examiner les conséquences neurochimiques, métaboliques et fonctionnelles du traitement répété à la phencyclidine in vivo, au niveau du cortex préfrontal (cpf), une région cérébrale qui joue un rôle dans les déficits cognitifs observés chez les patients schizophréniques. Pour répondre à cette question, les rats ou les souris ont reçu chaque jour une injection soit de PCP (5 mg/kg), soit de solution saline, pendant 7 ou 14 jours. Les animaux ont ensuite été sacrifiés au moins 24 heures après le dernier traitement. Des tranches aiguës du cpf ont été préparées rapidement, puis stimulées avec une concentration élevée de KCI, de manière à induire une libération de glutamate à partir des terminaisons synaptiques excitatrices. Les résultats montrent que les tranches du cpf des animaux traités à la PCP ont libéré une quantité de glutamate significativement inférieure par rapport à celles des animaux contrôle. Ce déficit de libération a persisté 72 heures après la fin du traitement, tandis qu'il n'était pas observé dans le cortex visuel primaire, une autre région corticale. En outre, le traitement avec des antipsychotiques, l'halopéridol ou l'olanzapine, a supprimé le déficit induit par la PCP. Le même déficit de libération a été remarqué sur des synaptosomes obtenus à partir du cpf des animaux traités à la phenryclidine. Cette observation indique que la PCP induit une modification plastique adaptative du mécanisme qui contrôle la libération du glutamate dans les terminaisons synaptiques. Nous avons découvert que cette modification implique la sous-régulation d'un NMDAR présynaptique, qui serait doué d'un rôle d'autorécepteur stimulateur de la libération du glutamate. Grâce à des tests comportementaux conduits en parallèle et réalisés pour évaluer la fonctionnalité du cpf, nous avons observé chez les souris traitées à la PCP une flexibilité comportementale réduite lors d'un test de discrimination de stimuli visuels/tactiles. Le déficit cognitif était encore présent 4 jours après la dernière administration de PCP. La technique de l'autoradiographie quantitative du [14C]2-deoxyglucose a permis d'associer ce déficit à une réduction de l'activité métabolique cérébrale pendant le déroulement du test, particulièrement au niveau du cpf. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que le blocage prolongé du NMDAR lors de l'administration répétée de PCP produit un déficit de libération du glutamate au niveau des terminaisons synaptiques excitatrices du cpf. Un tel déficit pourrait être provoqué par la sousrégulation d'un NMDAR présynaptique, qui aurait une fonction de stimulateur de libération; la transmission excitatrice du cpf s'en trouverait dans ce cas réduite. Ce résultat est en ligne avec l'activité métabolique et fonctionnelle réduite du cpf et l'observation de déficits cognitifs induits lors de l'administration de la PCP. ABSTRACT : Sub-chronic treatment with phencyclidine (PCP), an NMDA receptor (NMDAR) channel blocker, reproduces in rodents part of the symptomatology associated to schizophrenia in humans. Prolonged pharmacological blockade of NMDAR with PCP mimics NMDAR hypofunction, one of the main alterations thought to take place in the brains of schizophrenics. Our study was aimed at investigating the neurochemical, metabolic and behavioral consequences of repeated PCP administration in vivo, focusing on the functioning of the prefrontal cortex (pfc), a brain region highly relevant for the cognitive deficits observed in schizophrenic patients. Rats or mice received a daily administration of either PCP (5 mg/kg) or saline for 7 or 14 days. At least 24 hours after the last treatment the animals were sacrificed. Acute slices of the pfc were quickly prepared and challenged with high KCl to induce synaptic glutamate release. Pfc slices from PCP-treated animals released significantly less glutamate than slices from salinetreated animals. The deficit persisted 72 hours after the end of the treatment, while it was not observed in another cortical region: the primary visual cortex. Interestingly, treatment with antipsychotic drugs, either haloperidol or olanzapine, reverted the glutamate release defect induced by PCP treatment. The same release defect was observed in synaptosomes prepared from the pfc of PCP-treated animals, indicating that PCP induces a plastic adaptive change in the mechanism controlling glutamate release in the glutamatergic terminals. We discovered that such change most likely involves the down-regulation of a newly identified, pre-synaptic NMDAR with stimulatory auto-receptor function on glutamate release. In parallel sets of behavioral experiments challenging pfc function, mice sub-chronically treated with PCP displayed reduced behavioral flexibility (reversal learning) in a visual/tactile-cued discrimination task. The cognitive deficit was still evident 4 days after the last PCP administration and was associated to reduced brain metabolic activity during the performance of the behavioral task, notably in the pfc, as determined by [14C]2-deoxyglucose quantitative autoradiography. Clverall, our findings suggest that prolonged NMDAR blockade by repeated PCP administration results in a defect of glutamate release from excitatory afferents in the pfc, possibly ascribed to down-regulation of apre-synaptic stimulatory NMDAR. Deficient excitatory neurotransmission in the pfc is consistent with the reduced metabolic and functional activation of this area and the observed PCP-induced cognitive deficits.

Control of pancreatic β-cell mass and function by gluco-incretin hormones : identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes

Summary : Control of pancreatic ß-cell mass and function by gluco-incretin hormones: Identification of novel regulatory mechanisms for the treatment of diabetes The ß-cells of islets of Langerhans secrete insulin to reduce hyperglycemia. The number of pancreatic islet ß-cells and their capacity to secrete insulin is modulated in normal physiological conditions to respond to the metabolic demand of the organism. A failure of the endocrine pancreas to maintain an adequate insulin secretory capacity due to a reduced ß-cell number and function underlies the pathogenesis of both type 1 and type 2 diabetes. The molecular mechanisms controlling the glucose competence of mature ß-cells, i.e., the magnitude of their insulin secretion response to glucose, ß-cell replication, their differentiation from precursor cells and protection against apoptosis are poorly understood. To investigate these mechanisms, we studied the effects on ß-cells of the gluco-incretin hormones, glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) which are secreted by intestinal endocrine cells after food intake. Besides acutely potentiating glucose-stimulated insulin secretion, these hormones induce ß-cell differentiation from precursor cells, stimulate mature ß-cell replication, and protect them against apoptosis. Therefore, understanding the molecular basis for gluco-incretin action may lead to the uncovering of novel ß-cell regulatory events with potential application for the treatment or prevention of diabetes. Islets from mice with inactivation of both GIP and GLP-1 receptor genes (dK0) present a defect in glucose-induced insulin secretion and are more sensitive than control islets to cytokine-induced apoptosis. To search for regulatory genes, that may control both glucose competence and protection against apoptosis, we performed comparative transcriptomic analysis of islets from control and dK0 mice. We found a strong down-regulation of the IGF1 Rexpression in dK0 islets. We demonstrated in both a mouse insulin-secreting cell line and primary islets, that GLP-1 stimulated IGF-1R expression and signaling. Importantly, GLP-1induced IGF-1R-dependent Akt phosphorylation required active secretion, indicating the presence of an autocrine activation mechanism. We further showed that activation of IGF-1R signaling was dependent on the secretion of IGF-2 and IGF-2 expression was regulated by nutrients. Finally, we demonstrated that the IGF-Z/IGF-1R autocrine loop was required for GLP-1 i) to protect ß-cells against cytokine-induced apoptosis, ii) to enhance their glucose competence and iii) to increase ß-cell proliferation. Résumé : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones glucoincrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Les cellules ß des îlots de Langerhans sécrètent l'insuline pour diminuer l'hyperglycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité à sécréter l'insuline sont modulés dans les conditions physiologiques normales pour répondre à la demande métabolique de l'organisme. Un échec du pancréas endocrine à maintenir sa capacité sécrétoire d'insuline dû à une diminution du nombre et de la fonction des cellules ß conduit au diabète de type 1 et de type 2. Les mécanismes moléculaires contrôlant la compétence au glucose des cellules ß matures, tels que, l'augmentation de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose, la réplication des cellules ß, leur différentiation à partir de cellules précurseurs et la protection contre l'apoptose sont encore peu connus. Afin d'examiner ces mécanismes, nous avons étudié les effets sur les cellules ß des hormones gluco-incrétines, glucose-dépendent insulinotropic polypeptide (G1P) et glucagon-like peptide-1 (GLP-1) qui sont sécrétées par les cellules endocrines de l'intestin après la prise alimentaire. En plus de potentialiser la sécrétion d'insuline induite par le glucose, ces hormones induisent la différentiation de cellules ß à partir de cellules précurseurs, stimulent leur prolifération et les protègent contre l'apoptose. Par conséquent, comprendre les mécanismes d'action des gluco-incrétines permettrait de découvrir de nouveaux processus régulant les cellules ß avec d'éventuelles applications dans le traitement ou la prévention du diabète. Les îlots de souris ayant une double inactivation des gènes pour les récepteurs du GIP et du GLP-1 (dK0) présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose induite par les cytokines. Afin de déterminer les gènes régulés, qui pourraient contrôler à la fois la compétence au glucose et la protection contre l'apoptose, nous avons effectué une analyse comparative transcriptomique sur des îlots de souris contrôles et dKO. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression d'IGF-1R dans les îlots dKO. Nous avons démontré, à la fois dans une lignée cellulaire murine sécrétant l'insuline et dans îlots primaires, que le GLP-1 stimulait l'expression d'IGF-1R et sa voie de signalisation. Par ailleurs, la phosphorylation d'Akt dépendante d'IGF1-R induite parle GLP-1 nécessite une sécrétion active, indiquant la présence d'un mécanisme d'activation autocrine. Nous avons ensuite montré que l'activation de la voie de signalisation d'IGF-1R était dépendante de la sécrétion d'IGF-2, dont l'expression est régulée par les nutriments. Finalement, nous avons démontré que la boucle autocrine IGF-2/IGF-1R est nécessaire pour le GLP-1 i) pour protéger les cellules ß contre l'apoptose induite par les cytokines, ii) pour améliorer la compétence au glucose et iii) pour augmenter la prolifération des cellules ß. Résumé tout public : Contrôle de la masse des cellules ß pancréatiques et de leur fonction par les hormones gluco-incrétines: Identification de nouveaux mécanismes régulateurs pour le traitement du diabète Chez les mammifères, la concentration de glucose sanguine (glycémie) est régulée et maintenue à une valeur relativement constante d'environ 5 mM. Cette régulation est principalement contrôlée par 2 hormones produites par les îlots pancréatiques de Langerhans: l'insuline sécrétée par les cellules ß et le glucagon sécrété par les cellules a. A la suite d'un repas, l'augmentation de la glycémie entraîne la sécrétion d'insuline ce qui permet le stockage du glucose dans le foie, les muscles et le tissu adipeux afin de diminuer le taux de glucose circulant. Lors d'un jeûne, la diminution de la glycémie permet la sécrétion de glucagon favorisant alors la production de glucose par le foie, normalisant ainsi la glycémie. Le nombre de cellules ß et leur capacité sécrétoire s'adaptent aux variations de la demande métabolique pour assurer une normoglycémie. Une destruction complète ou partielle des cellules ß conduit respectivement au diabète de type 1 et de type 2. Bien que l'augmentation de la glycémie soit le facteur stimulant de la sécrétion d'insuline, des hormones gluco-incrétines, principalement le GLP-1 (glucagon-like peptide-1) et le GIP (glucose-dependent insulinotropic polypeptide) sont libérées par l'intestin en réponse aux nutriments (glucose, acides gras) et agissent au niveau des cellules ß, potentialisant la sécrétion d'insuline induite par le glucose, stimulant leur prolifération, induisant la différentiation de cellules précurseurs en cellules ß matures et les protègent contre la mort cellulaire (apoptose). Afin d'étudier plus en détail ces mécanismes, nous avons généré des souris déficientes pour les récepteurs du GIP et du GLP-l. Les îlots pancréatiques de ces souris présentent un défaut de sécrétion d'insuline stimulée par le glucose et une sensibilité accrue à l'apoptose par rapport aux îlots de souris contrôles. Nous avons donc cherché les gènes régulés pas ces hormones contrôlant la sécrétion d'insuline et la protection contre l'apoptose. Nous avons constaté une forte diminution de l'expression du récepteur à l'IGF-1 (IGF-1R) dans les îlots de souris déficientes pour les récepteurs des gluco-incrétines. Nous avons démontré dans un model de cellules ß en culture et d'îlots que le GLP-1 augmentait l'expression d'IGF-1R et la sécrétion de son ligand (IGF-2) permettant l'activation de la voie de signalisation. Finalement, nous avons montré que l'activation de la boucle IGF-2/IGF-1R induite par le GLP-1 était nécessaire pour la protection contre l'apoptose, l'augmentation de la sécrétion et la prolifération des cellules ß.

SOURCE, FATE AND FUNCTION OF EARLY GLIAL CELLS EXPRESSING NKX2.1 IN MOUSE EMBRYONIC BRAINS

The brain tissue is made of neuronal and glial cells generated in the germinal layer bordering the ventricles. These cells divide, differentiate and migrate following specific pathways. The specification of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons has been broadly studied but little is known about the origin, the fate and the function of early glial cells in the embryonic telencephalon. It has been commonly accepted since long that the glial cells and more particularly the astrocytes were generated after neurogenesis from the dorsal telencephalon. However, our work shows that, unlike what was previously thought, numerous glial cells (astroglia and polydendrocytes) are generated during neurogenesis in the early embryonic stages from E14.5 to E16.5, and originate from the ventral Nkx2.1-expressing precursors instead. NK2 homeobox 1 (Nkx2.1) is a member of the NK2 family of homeodomaincontaining transcription factors. The specification of the MGE precursors requires the expression of the Nkx2.1 homeobox gene. Moreover, Nkx2.1 is previously known to regulate the specification of GABAergic interneurons and early oligodendrocytes in the ventral telencephalon. Here, in my thesis work, I have discovered that, in addition, Nkx2.1 also regulates astroglia and polydendrocytes differentiation. The use of Nkx2.1 antibody and Nkx2.1 riboprobe have revealed the presence of numerous Nkx2.1-positive cells that express astroglial markers (like GLAST and GFAP) in the entire embryonic brain. Thus, to selectively fate map MGE-derived GABAergic interneurons and glia, we crossed Nkx2.1-Cre mice, Glast-Cre ERT+/- inducible mice and NG2-Cre mice with the Cre reporter Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) mice. The precise origin of Nkx2.1-positive astroglia has been directly ascertained by combining glial immunostaining and focal electroporation of the pCAG-GS-EGFP plasmids into the subpallial domains of organotypic slices, as well as, by using in vitro neurosphere experiments and in utero electroporation of the pCAG-GS-tomato plasmid into the ventral pallium of E14.5 Nkx2.1-Cre+/Rosa-YFP+/- embryos. We have, thus, confirmed that the three germinal regions of the ventral telencephalon i.e. the MGE, the AEP/POA and the triangular septal nucleus are able to generate early astroglial cells. Moreover, immunohistochemistry for several astroglial cells and polydendrocyte markers, both in the Nkx2.1-/- and control embryos and in the neurospheres, has revealed a severe loss of both glial cell types in the Nkx2.1 mutants. We found that the loss of glia corresponded to a decrease of Nkx2.1-derived precursor division capacity and glial differentiation. There was a drastic decrease of BrdU+ dividing cells labeled for Nkx2.1 in the MGE*, the POA* and the septal nucleus* of Nkx2.1 mutants. In addition, we noticed that while some remaining Nkx2.1+ precursors still succeeded to give rise to post-mitotic neurons in vitro and in vivo in the Nkx2.1-/-, they completely lost the capacity to differentiate in astrocytes. Altogether, these observations indicate for the first time that the transcription factor Nkx2.1 regulates the proliferation and differentiation of precursors in three subpallial domains that generate early embryonic astroglia and polydendrocytes. Furthermore, in order to investigate the potential function of these early Nkx2.1- derived glia, we have performed multiple immunohistochemical stainings on Nkx2.1-/- and wild-type animals, and Nkx2.1-Cre mice that were crossed to Rosa-DTA+/- mice in which the highly toxic diphtheria toxin aided to selectively deplete a majority of the Nkx2.1-derived cells. Interestingly, in these two mutants, we observed a drastic and significant loss of GFAP+, GLAST+, NG2+ and S100ß+ astroglial cells at the telencephalic midline and in the medial cortical areas. This cells loss could be directly correlated with severe axonal guidance defects observed in the corpus callosum (CC), the hippocampal commissure (HIC), the fornix (F) and the anterior commissure (AC). Axonal guidance is a key step allowing neurons to form specific connections and to become organized in a functional network. The contribution of guidepost cells inside the CC and the AC in mediating the growth of commissural axons have until now been attributed to specialized midline guidepost astroglia. Previous published results in our group have unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons. Therefore, the relative contribution of individual neuronal or glial populations towards the guidance of commissural axons remains largely to be investigated to understand guidance mechanisms further. Thus, we crossed Nkx2.1-Cre mice with NSE-DTA+/- mice that express the diphtheria toxin only in neurons and allowed us to selectively deplete Nkx2.1-derived GABAergic neurons. Interestingly, in the Nkx2.1-/- mice, the CC midline was totally disorganized and the callosal axons partly lost their orientation, whereas in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- and the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice, the axonal organization of the CC was not affected. In the three types of mice, hippocampal axons of the fornix were not properly fasciculated and formed disoriented bundles through the septum. Additionally, the AC formation was completely absent in Nkx2.1-/- mice and the AC was divided into two/three separate paths in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice that project in wrong territories. On the other hand, the AC didn't form or was reduced to a relatively narrower tract in the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice as compared to wild-type AC. These results clearly indicate that midline Nkx2.1-derived cells play a major role in commissural axons pathfinding and that both Nkx2.1-derived guidepost neurons and glia are necessary elements for the correct development of these commissures. Furthermore, during our investigations on Nkx2.1-/- and Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice, we noticed similar and severe defects in the erythrocytes distribution and the blood vessels network morphology in the embryonic brain of both mutants. As the Cre-mediated recombination was never observed to occur in the blood vessels of Nkx2.1-Cre mice, we inferred that the vessels defects observed were due to the loss of Nkx2.1-derived cells and not to the cells autonomous effects of Nkx2.1 in regulating endothelial cell precursors. Thereafter, the respective contribution of individual Nkx2.1-regulated neuronal or glial populations in the blood vessels network building were studied with the use of transgenic mice strains. Indeed, the use of Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice indicated that the Nkx2.1-derived neurons were not implicated in this process. Finally, to discriminate between the two Nkx2.1-derived glial cell populations, the GLAST+ astroglia and the NG2+ polydendrocytes, an NG2-Cre mouse strain crossed to the Rosa-DTA+/- mice was used. In that mutant, the blood vessel network and the erythrocytes distribution were similarly affected as observed in Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- animals. Therefore, this result indicates that most probably, the NG2+ polydendrocytes are involved in helping to build the vessels network in the brain. Taken altogether, these observations show that during brain development, Nkx2.1- derived embryonic glial cells act as guidepost cells on the guidance of axons as well as forming vessels. Both Nkx2.1-regulated guidepost GABAergic neurons and glia collaborate to guide growing commissural axons, while polydendrocytes are implicated in regulating brain angiogenesis. - Le tissu cérébral est composé de cellules neuronales et gliales générées dans les couches germinales qui bordent les ventricules. Ces cellules se divisent, se différencient et migrent selon des voies particulières. La spécification des interneurones GABAergiques et des neurones glutamatergiques a été largement étudiée, par contre, l'origine, le destin et la fonction des cellules gliales précoces du télencéphale embryonnaire restent peu élucidées. Depuis longtemps, il était communément accepté que les cellules gliales, et plus particulièrement les astrocytes, sont générés après la neurogénèse à partir du télencéphale dorsal. Toutefois, notre travail montre que de nombreuses cellules gliales sont générées à partir de précurseurs ventraux qui expriment le gène Nkx2.1, entre E14.5 et E16.5, c'est-à dire,à des stades embryonnaires très précoces. Le gène NK2 homéobox 1 (Nkx2.1) appartient à une famille de facteurs de transcription appelée NK2. Il s'agit de protéines qui contiennent un homéo-domaine. La spécification des précurseurs de la MGE requiert l'expression du gène homéobox Nkx2.1. De plus, la fonction du gène Nkx2.1 dans la régulation de la spécification des interneurones GABAergiques et des oligodendrocytes dans le télencéphale ventral était déjà connue. Au cours de mon travail de thèse, j'ai également mis en évidence que, Nkx2.1 régule aussi les étapes de prolifération et de différenciation de divers sous-types de cellules gliales soit de type astrocytes ou bien polydendrocytes. L'utilisation d'un anticorps contre la protéine Nkx2.1 ainsi qu'une sonde à ribonucléotides contre l'ARN messager du gène Nkx2.1 ont révélé la présence de nombreuses cellules positives pour Nkx2.1 qui exprimaient des marqueurs astrocytaires (comme GLAST et GFAP) dans le télencéphale embryonnaire. Afin de déterminer de manière sélective le sort des interneurones GABAergiques, des polydendrocytes et des astrocytes dérivés de la MGE, nous avons croisé soit des souris Nkx2.1-Cre, des souris Glast-Cre ERT+/- inductibles ou bien des souris NG2-Cre avec des souris Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) Cre rapportrices. L'origine précise des astroglies positives pour Nkx2.1 a été directement établie en combinant une coloration immunologique pour les glies et une électroporation focale d'un plasmide pCAG-GS-EGFP dans les domaines subpalliaux de tranches organotypiques, puis également, par des cultures de neurosphères in vitro et des expériences d'électroporation in utero d'un plasmide pCAG-GS-tomato dans le pallium ventral d'embryons Nkx2.1-Cre+/Rosa- YFP+/- au stade E14.5. Nous avons donc confirmé que les trois régions germinales du télencéphale ventral, c'est-à-dire, la MGE, l'AEP/POA et le noyau triangulaire septal sont capables de générer des cellules astrogliales. D'autre part, l'immunohistochimie pour plusieurs marqueurs d'astrocytes ou de polydendrocytes, dans les embryons Nkx2.1-/- et contrôles ainsi que dans les neurosphères, a révélé une sévère perte de ces deux types gliaux chez les mutants. Nous avons trouvé que la perte de glies correspondait à une diminution de la capacité de division des précurseurs dérivés de Nkx2.1, ainsi que l'incapacité de ces précurseurs de se différencier en cellules gliales. Nous avons en effet observé une diminution importante des cellules BrdU+ en division exprimant Nkx2.1dans la MGE*, la POA* et le noyau septal* des mutants pour Nkx2.1. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence aussi bien in vitro, qu'in vivo, que certains précurseurs Nkx2.1+ chez le mutant gardent la capacité à se différencier en neurones tandis qu'ils perdent celle de se différencier en cellules gliales. Prises dans leur ensemble, ces observations indiquent pour la première fois que le facteur de transcription Nkx2.1 régule les étapes de prolifération et de différentiation des précurseurs des trois domaines subpalliaux qui génèrent les astroglies et polydendrocytes embryonnaires précoces. Par la suite, dans le but de comprendre la fonction potentielle de ces glies précoces, nous avons procédé à de multiples colorations immunohistochimiques sur des animaux Nkx2.1-/- et sauvages, ainsi que sur des souris Nkx2.1-Cre croisées à des souris Rosa-DTA+/- dans lesquelles la toxine diphthérique hautement toxique a permis de supprimer sélectivement la majorité des cellules dérivées de Nkx2.1. De manière intéressante, nous avons observé dans ces deux mutants, une perte drastique et significative de cellules astrogliales GFAP+, GLAST+ et polydendrocytaires NG2+ et S100ß+ dans le télencéphale, à la midline et dans les aires corticales médianes. Ces pertes ont pu être directement corrélées avec des défauts de guidage axonal observés dans le corps calleux (CC), la commissure hippocampique (HIC), le fornix (F) et la commissure antérieure (AC). Le guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones de former des connections spécifiques et de s'organiser dans un réseau fonctionnel. La contribution des cellules « guidepost » dans le CC et dans la AC comme médiateurs de la croissance des axones commissuraux à jusqu'à aujourd'hui été attribuée spécifiquement à des astroglies « guidepost » de la midline. Des résultats publiés précédemment dans notre groupe, ont permis de montrer que, pendant le développement embryonnaire, le CC est peuplé en plus de la glie par de nombreux neurones « guidepost » glutamatergiques et GABAergiques qui sont essentiels pour le croisement correct des axones callosaux à la midline. Ainsi, la contribution relative des populations individuelles neuronales ou gliales pour le guidage des axones commissuraux demande à être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes de guidage. A ces fins, nous avons croisé des souris Nkx2.1-Cre avec des souris NSE-DTA+/- qui expriment la toxine diphthérique uniquement dans les neurones et ainsi, nous avons pu sélectivement supprimer les neurones dérivés de domaines Nkx2.1+. Dans les souris Nkx2.1-/-,nous avons découvert que le CC était désorganisé avec des axones callosaux perdant partiellement leur orientation, alors que dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- et Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/-, l'organisation axonale n'était pas affectée. De plus, les faisceaux hippocampiques du fornix étaient défasciculés dans les trois types de mutants. Par ailleurs, la formation de la commissure antérieure (AC) était complètement absente dans les souris Nkx2.1-/- d'une part, et d'autre part, celle-ci était divisée en deux à trois voies séparées dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Finalement, la AC était soit absente, soit réduite de manière ne former plus qu'un faisceau relativement plus étroit dans les souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- en comparaison avec la AC sauvage. Ces derniers résultats indiquent clairement que les cellules dérivées de Nkx2.1 à la midline, jouent un rôle majeur dans le guidage des axones commissuraux et que, autant les neurones, que les astrocytes « guidepost » dérivés de Nkx2.1, sont des éléments nécessaires au développement correct de ces commissures. En outre, lors de nos investigations sur les souris Nkx2.1-/- et Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-, nous avons remarqués des défauts sévères et similaires dans la distribution des erythrocytes et dans la morphologie du réseau de vaisseaux sanguins dans le cerveau embryonnaire des deux mutants précités. Puisque nous n'avons jamais observé de recombinaison de la Cre recombinase dans les vaisseaux sanguins des souris Nkx2.1Cre, nous en avons déduit que les défauts de vaisseaux observés étaient dus à la perte de cellules dérivées de Nkx2.1. Il existerait donc en plus de la fonction cellulaire autonome de Nkx2.1 reconnue pour régulée directement la spécification des cellules endothéliales, une fonction indirecte de Nkx2.1. Afin de déterminer la contribution respective des populations individuelles neuronales ou gliales régulées par Nkx2.1 dans la construction du réseau de vaisseaux sanguins, nous avons utilisé diverses lignées de souris transgéniques. L'utilisation de souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- a indiqué que les neurones dérivés de Nkx2.1 n'étaient pas impliqués dans ce processus. Finalement, afin de discriminer entre les deux populations de cellules gliales dérivées de Nkx2.1, les astroglies et les polydendrocytes, nous avons croisé une lignée de souris NG2-Cre avec des souris Rosa-DTA+/-. Dans ce dernier mutant, le réseau de vaisseaux sanguins du cortex ainsi que la distribution des erythrocytes étaient affectés de la même manière que dans le cortex des souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Par conséquent, ce résultat indique que très probablement, les polydendrocytes NG2+ sont impliqués dans la mise en place du réseau de vaisseaux dans le cerveau. Prises dans leur ensemble, ces observations montrent que durant le développement embryonnaire du cerveau, des sous-populations de glies régulées par Nkx2.1 jouent un rôle de cellules « guidepost » dans le guidage des axones, ainsi que des vaisseaux. Les polydendrocytes sont impliquées dans la régulation de l'angiogenèse tandis que, autant les neurones GABAergiques que les astrocytes collaborent dans le guidage des axones commissuraux en croissance.

Tree-based message diffusion for managing replicated data in unreliable and resource-constrained peer-to-peer environment

Abstract This thesis proposes a set of adaptive broadcast solutions and an adaptive data replication solution to support the deployment of P2P applications. P2P applications are an emerging type of distributed applications that are running on top of P2P networks. Typical P2P applications are video streaming, file sharing, etc. While interesting because they are fully distributed, P2P applications suffer from several deployment problems, due to the nature of the environment on which they perform. Indeed, defining an application on top of a P2P network often means defining an application where peers contribute resources in exchange for their ability to use the P2P application. For example, in P2P file sharing application, while the user is downloading some file, the P2P application is in parallel serving that file to other users. Such peers could have limited hardware resources, e.g., CPU, bandwidth and memory or the end-user could decide to limit the resources it dedicates to the P2P application a priori. In addition, a P2P network is typically emerged into an unreliable environment, where communication links and processes are subject to message losses and crashes, respectively. To support P2P applications, this thesis proposes a set of services that address some underlying constraints related to the nature of P2P networks. The proposed services include a set of adaptive broadcast solutions and an adaptive data replication solution that can be used as the basis of several P2P applications. Our data replication solution permits to increase availability and to reduce the communication overhead. The broadcast solutions aim, at providing a communication substrate encapsulating one of the key communication paradigms used by P2P applications: broadcast. Our broadcast solutions typically aim at offering reliability and scalability to some upper layer, be it an end-to-end P2P application or another system-level layer, such as a data replication layer. Our contributions are organized in a protocol stack made of three layers. In each layer, we propose a set of adaptive protocols that address specific constraints imposed by the environment. Each protocol is evaluated through a set of simulations. The adaptiveness aspect of our solutions relies on the fact that they take into account the constraints of the underlying system in a proactive manner. To model these constraints, we define an environment approximation algorithm allowing us to obtain an approximated view about the system or part of it. This approximated view includes the topology and the components reliability expressed in probabilistic terms. To adapt to the underlying system constraints, the proposed broadcast solutions route messages through tree overlays permitting to maximize the broadcast reliability. Here, the broadcast reliability is expressed as a function of the selected paths reliability and of the use of available resources. These resources are modeled in terms of quotas of messages translating the receiving and sending capacities at each node. To allow a deployment in a large-scale system, we take into account the available memory at processes by limiting the view they have to maintain about the system. Using this partial view, we propose three scalable broadcast algorithms, which are based on a propagation overlay that tends to the global tree overlay and adapts to some constraints of the underlying system. At a higher level, this thesis also proposes a data replication solution that is adaptive both in terms of replica placement and in terms of request routing. At the routing level, this solution takes the unreliability of the environment into account, in order to maximize reliable delivery of requests. At the replica placement level, the dynamically changing origin and frequency of read/write requests are analyzed, in order to define a set of replica that minimizes communication cost.

High cefepime plasma concentrations and neurological toxicity in febrile neutropenic patients with mild impairment of renal function.

High-dose cefepime therapy is recommended for febrile neutropenia. Safety issues have been raised in a recent meta-analysis reporting an increased risk of mortality during cefepime therapy. Cefepime-related neurological toxicity has been associated with overdosing due to severe renal dysfunction. This study aimed to investigate the association between cefepime plasma concentrations and neurological toxicity in febrile neutropenic patients. Cefepime trough concentrations (by high-performance liquid chromatography) were retrospectively analyzed for 30 adult febrile neutropenic patients receiving the recommended high-dose regimen (6 g/day for a glomerular filtration rate [GFR] of >50 ml/min). The dose adjustment to renal function was evaluated by the ratio of the cefepime daily dose per 100 ml/min of glomerular filtration. The association between cefepime plasma concentrations and neurological toxicity was assessed on the basis of consistent neurological symptoms and/or signs (by NCI criteria). The median cefepime concentration was 8.7 mg/liter (range, 2.1 to 38 mg/liter) at a median of 4 days (range, 2 to 15 days) after the start of therapy. Neurological toxicity (altered mental status, hallucinations, or myoclonia) was attributed to cefepime in 6/30 (20%) patients (median GFR, 45 ml/min; range, 41 to 65 ml/min) receiving a median dose of 13.2 g/day per 100 ml/min GFR (range, 9.2 to 14.3 g/day per 100 ml/min GFR). Cefepime discontinuation resulted in complete neurological recovery for five patients and improvement for one patient. A multivariate logistic regression model confirmed high cefepime concentrations as an independent predictor of neurological toxicity, with a 50% probability threshold at ≥22 mg/liter (P = 0.05). High cefepime plasma concentrations are associated with neurological toxicity in febrile neutropenic patients with mild renal dysfunction. Careful adherence to normalized dosing per 100 ml/min GFR is crucial. Monitoring of plasma concentrations may contribute to preventing neurological toxicity of high-dose therapy for this life-threatening condition.

THE ROLE OF SPINDLES FOR SLEEP: MANIPULATING OSCILLATORY ACTIVITY IN THE THALAMOCORTICAL NETWORK

Modern urban lifestyle encourages the prolongation of wakefulness, leaving less and less time for sleep. Although the exact functions of sleep remain one of the biggest mysteries in neuroscience, the society is well aware of the negative consequences of sleep loss on human physical and mental health and performance. Enhancing sleep's recuperative functions might allow shortening sleep duration while preserving the beneficial effects of sleep. During sleep, brain activity oscillates across a continuum of frequencies. Individual oscillations have been suggested to underlie distinct functions for sleep and cognition. Gaining control about individual oscillations might allow boosting their specific functions. Sleep spindles are 11 - 15 Hz oscillations characteristic for light non-rapid-eye-movement sleep (NREMS) and have been proposed to play a role in memory consolidation and sleep protection against environmental stimuli. The reticular thalamic nucleus (nRt) has been identified as the major pacemaker of spindles. Intrinsic oscillatory burst discharge in nRt neurons, arising from the interplay of low-threshold (T-type) Ca2+ channels (T channels) and small conductance type 2 (SK2) K+ channels (SK2 channels), underlies this pacemaking function. In the present work we investigated the impact of altered nRt bursting on spindle generation during sleep by studying mutant mice for SK2 channels and for CaV3.3 channels, a subtype of T channels. Using in vitro electrophysiology I showed that nRt bursting was abolished in CaV3.3 knock out (CaV3.3 KO) mice. In contrast, in SK2 channel over-expressing (SK2-OE) nRt cells, intrinsic repetitive bursting was prolonged. Compared to wildtype (WT) littermates, altered nRt burst discharge lead to weakened thalamic network oscillations in vitro in CaV3.3 KO mice, while oscillatory activity was prolonged in SK2-OE mice. Sleep electroencephalographic recordings in CaV3.3 KO and SK2-OE mice revealed that reduced or potentiated nRt bursting respectively weakened or prolonged sleep spindle activity at the NREMS - REMS transition. Furthermore, SK2-OE mice showed more consolidated NREMS and increased arousal thresholds, two correlates of good sleep quality. This thesis work suggests that CaV3.3 and SK2 channels may be targeted in order to modulate sleep spindle activity. Furthermore, it proposes a novel function for spindles in NREMS consolidation. Finally, it provides evidence that sleep quality may be improved by promoting spindle activity, thereby supporting the hypothesis that sleep quality can be enhanced by modulating oscillatory activity in the brain. Le style de vie moderne favorise la prolongation de l'éveil, laissant de moins en moins de temps pour le sommeil. Même si le rôle exact du sommeil reste un des plus grands mystères des neurosciences, la société est bien consciente des conséquences négatives que provoque un manque de sommeil, à la fois sur le plan de la santé physique et mentale ainsi qu'au niveau des performances cognitives. Augmenter les fonctions récupératrices du sommeil pourrait permettre de raccourcir la durée du sommeil tout en en conservant les effets bénéfiques. Durant le sommeil, on observe des oscillations à travers un continuum de fréquences. Il a été proposé que chaque oscillation pourrait être à l'origine de fonctions spécifiques pour le sommeil et la cognition. Pouvoir de contrôler les oscillations individuelles permettrait d'augmenter leurs fonctions respectives. Les fuseaux sont des oscillations de 11 à 15 Hz caractéristiques du sommeil à ondes lentes léger et il a été suggéré qu'elles jouent un rôle majeur pour la consolidation de la mémoire ainsi que dans la protection du sommeil contre les stimuli environnementaux. Le nucleus réticulaire du thalamus (nRt) a été identifié en tant que générateur de rythme des fuseaux. Les bouffées oscillatoires intrinsèques des neurones du nRt, provenant de l'interaction de canaux calciques à bas seuil de type T (canaux T) et de canaux potassiques à faible conductance de type 2 (canaux SK2), sont à l'origine de la fonction de générateur de rythme. Dans ce travail, j'ai étudié l'impact de la modulation de bouffées de nRT sur la génération des fuseaux pendant le sommeil en investiguant des souris génétiquement modifiées pour les canaux SK2 et les canaux CaV3.3, un sous-type de canaux T. En utilisant l'électrophysiologie in vitro j'ai démontré que les bouffées du nRT étaient abolies dans les souris knock-out du type CaV3.3 (CaV3.3 KO). D'autre part, dans les cellules nRT sur-exprimant les canaux SK2 (SK2-OE), les bouffées oscillatoires intrinsèques étaient prolongées. Par rapport aux souris wild type, les souris CaV3.3 KO ont montré un affaiblissement des oscillations thalamiques en réponse à un changement des bouffées de nRT, alors que l'activité oscillatoire était prolongée dans les souris SK2-OE. Des enregistrements EEG du sommeil dans des souris de type CaV3.3 KO et SK2-OE ont révélé qu'une réduction ou augmentation des bouffées nRT ont respectivement affaibli ou prolongé l'activité des fuseaux durant les transitions du sommeil à ondes lentes au sommeil paradoxal. De plus, les souris SK2-OE ont montré des signes de consolidation du sommeil à ondes lentes et un seuil augmenté pour le réveil, deux mesures qui corrèlent avec une bonne qualité du sommeil. Le travail de cette thèse propose que les canaux CaV3.3 et SK2 pourrait être ciblés pour moduler l'activité des fuseaux. De plus, je propose une fonction nouvelle pour les fuseaux dans la consolidation du sommeil à ondes lentes. Finalement je suggère que la qualité du sommeil peut être améliorée en promouvant l'activité des fuseaux, soutenant ainsi l'idée que la qualité du sommeil peut être améliorée en modulant l'activité oscillatoire dans le cerveau.