Modulation du métabolisme du glucose astrocytaire par les cytokines pro-inflammatoires et le peptide beta-amyloïde. A la recherche d'une composante gliale aux processus neurodégénératifs

Résumé large public: Une altération localisée du métabolisme du glucose, le substrat énergétique préférentiellement utilisé dans le cerveau, est un trait caractéristique précoce de la maladie d'Alzheimer (MA). Il est maintenant largement admis que le beta-amyloïde, la neuroinflammation et le stress oxydatif participent au développement de la MA. Cependant les mécanismes cellulaires de la pathogenèse restent à identifier. Le métabolisme cérébral a ceci de remarquable qu'il repose sur la coopération entre deux types cellulaires, ainsi les astrocytes et les neurones constituent une unité métabolique. Les astrocytes sont notamment responsables de fournir aux neurones des substrats énergétiques, ainsi que des précurseurs du glutathion pour la défense contre le stress oxydatif. Ces fonctions astrocytaires sont essentielles au bon fonctionnement et à la survie neuronale; par conséquent, une altération de ces fonctions astrocytaires pourrait participer au développement de certaines maladies cérébrales. Le but de ce travail est, dans un premier temps, d'explorer les effets de médiateurs de la neuroinflammation (les cytokines pro-inflammatoires) et du peptide beta-amyloïde sur le métabolisme des astrocytes corticaux, en se focalisant sur les éléments en lien avec le métabolisme énergétique et le stress oxydatif. Puis, dans un second temps, de caractériser les conséquences pour les neurones des modifications du métabolisme astrocytaire induites par ces substances. Les résultats obtenus ici montrent que les cytokines pro-inflammatoires et le beta-amyloïde induisent une profonde altération du métabolisme astrocytaire, selon deux profils distincts. Les cytokines pro-inflammatoires, particulièrement en combinaison, agissent comme « découpleurs » du métabolisme énergétique du glucose, en diminuant l'apport potentiel de substrats énergétiques aux neurones. En plus de son effet propre, le peptide beta-amyloïde potentialise les effets des cytokines pro-inflammatoires. Or, dans le cerveau de patients atteints de la MA, les astrocytes sont exposés simultanément à ces deux types de substances. Les deux types de substances ont un effet ambivalent en termes de stress oxydatif. Ils induisent à la fois une augmentation de la libération de glutathion (potentiellement protecteur pour les neurones voisins) et la production d'espèces réactives de l'oxygène (potentiellement toxiques). Etant donné l'importance de la coopération entre astrocytes et neurones, ces modulations du métabolisme astrocytaire pourraient donc avoir un retentissement majeur sur les cellules environnantes, et en particulier sur la fonction et la survie neuronale. Résumé Les astrocytes et les neurones constituent une unité métabolique. Les astrocytes sont notamment responsables de fournir aux neurones des substrats énergétiques, tels que le lactate, ainsi que des précurseurs du glutathion pour la défense contre le stress oxydatif. Une altération localisée du métabolisme du glucose, le substrat énergétique préférentiellement utilisé dans le cerveau, est un trait caractéristique, précoce, de la maladie d'Alzheimer (MA). Il est maintenant largement admis que le beta-amyloïde, la neuroinflammation et le stress oxydatif participent au développement de la MA. Cependant, les mécanismes cellulaires de la pathogenèse restent à identifier. Le but de ce travail est d'explorer les effets des cytokines pro-inflammatoires (Il-1 ß et TNFα) et du beta-amyloïde (Aß) sur le métabolisme du glucose des astrocytes corticaux en culture primaire ainsi que de caractériser les conséquences, pour la viabilité des neurones voisins, des modifications du métabolisme astrocytaire induites par ces substances. Les résultats obtenus montrent que les cytokines pro-inflammatoires et le beta-amyloïde induisent une profonde altération du métabolisme astrocytaire, selon deux profils distincts. Les cytokines pro-inflammatoires, particulièrement en combinaison, agissent comme « découpleurs » du métabolisme glycolytique astrocytaire. Après 48 heures, le traitement avec TNFα et Il-lß cause une augmentation de la capture de glucose et de son métabolisme dans la voie des pentoses phosphates et dans le cycle de Krebs. A l'inverse, il cause une diminution de la libération de lactate et des stocks cellulaires de glycogène. En combinaison avec les cytokines tel qu'in vivo dans les cerveaux de patients atteints de MA, le peptide betaamyloïde potentialise les effets décrits ci-dessus. Isolément, le Aß cause une augmentation coordonnée de la capture de glucose et de toutes les voies de son métabolisme (libération de lactate, glycogenèse, voie des pentoses phosphate et cycle de Krebs). Les traitements altèrent peu les taux de glutathion intracellulaires, par contre ils augmentent massivement la libération de glutathion dans le milieu extracellulaire. A l'inverse, les deux types de traitements augmentent la production intracellulaire d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). De plus, les cytokines pro-inflammatoires en combinaison augmentent massivement la production des ROS dans l'espace extracellulaire. Afin de caractériser l'impact de ces altérations métaboliques sur la viabilité des neurones environnants, un modèle de co-culture et des milieux conditionnés astrocytaires ont été utilisés. Les résultats montrent qu'en l'absence d'une source exogène d'antioxydants, la présence d'astrocytes favorise la viabilité neuronale ainsi que leur défense contre le stress oxydatif. Cette propriété n'est cependant pas modulée par les différents traitements. D'autre part, la présence d'astrocytes, et non de milieu conditionné, protège les neurones contre l'excitotoxicité due au glutamate. Les astrocytes prétraités (aussi bien avec le beta-amyloïde qu'avec les cytokines pro-inflammatoires) perdent cette propriété. Cet élément suggère que la perturbation du métabolisme astrocytaire causé par les cytokines pro-inflammatoires ou le beta-amyloïde pourrait participer à l'atteinte de la viabilité neuronale associée à certaines pathologies neurodégénératives.

Of flies, mice and men: a systematic approach to understanding the early life origins of chronic lung disease.

Despite intensive research efforts, the aetiology of the majority of chronic lung diseases (CLD) in both, children and adults, remains elusive. Current therapeutic options are limited, providing only symptomatic relief, rather than treating the underlying condition, or preventing its development in the first place. Thus, there is a strong and unmet clinical need for the development of both, novel effective therapies and preventative strategies for CLD. Many studies suggest that modifications of prenatal and/or early postnatal lung development will have important implications for future lung function and risk of CLD throughout life. This view represents a fundamental change of current pathophysiological concepts and treatment paradigms, and holds the potential to develop novel preventative and/or therapeutic strategies. However, for the successful development of such approaches, key questions, such as a clear understanding of underlying mechanisms of impaired lung development, the identification and validation of relevant preclinical models to facilitate translational research, and the development of concepts for correction of aberrant development, all need to be solved. Accordingly, a European Science Foundation Exploratory Workshop was held where clinical, translational and basic research scientists from different disciplines met to discuss potential mechanisms of developmental origins of CLD, and to identify major knowledge gaps in order to delineate a roadmap for future integrative research.

Dynamic Modelling of Material Flows and Sustainable Resource Use: Case Studies in Regional Metabolism and Space Life Support Systems

Sustainable resource use is one of the most important environmental issues of our times. It is closely related to discussions on the 'peaking' of various natural resources serving as energy sources, agricultural nutrients, or metals indispensable in high-technology applications. Although the peaking theory remains controversial, it is commonly recognized that a more sustainable use of resources would alleviate negative environmental impacts related to resource use. In this thesis, sustainable resource use is analysed from a practical standpoint, through several different case studies. Four of these case studies relate to resource metabolism in the Canton of Geneva in Switzerland: the aim was to model the evolution of chosen resource stocks and flows in the coming decades. The studied resources were copper (a bulk metal), phosphorus (a vital agricultural nutrient), and wood (a renewable resource). In addition, the case of lithium (a critical metal) was analysed briefly in a qualitative manner and in an electric mobility perspective. In addition to the Geneva case studies, this thesis includes a case study on the sustainability of space life support systems. Space life support systems are systems whose aim is to provide the crew of a spacecraft with the necessary metabolic consumables over the course of a mission. Sustainability was again analysed from a resource use perspective. In this case study, the functioning of two different types of life support systems, ARES and BIORAT, were evaluated and compared; these systems represent, respectively, physico-chemical and biological life support systems. Space life support systems could in fact be used as a kind of 'laboratory of sustainability' given that they represent closed and relatively simple systems compared to complex and open terrestrial systems such as the Canton of Geneva. The chosen analysis method used in the Geneva case studies was dynamic material flow analysis: dynamic material flow models were constructed for the resources copper, phosphorus, and wood. Besides a baseline scenario, various alternative scenarios (notably involving increased recycling) were also examined. In the case of space life support systems, the methodology of material flow analysis was also employed, but as the data available on the dynamic behaviour of the systems was insufficient, only static simulations could be performed. The results of the case studies in the Canton of Geneva show the following: were resource use to follow population growth, resource consumption would be multiplied by nearly 1.2 by 2030 and by 1.5 by 2080. A complete transition to electric mobility would be expected to only slightly (+5%) increase the copper consumption per capita while the lithium demand in cars would increase 350 fold. For example, phosphorus imports could be decreased by recycling sewage sludge or human urine; however, the health and environmental impacts of these options have yet to be studied. Increasing the wood production in the Canton would not significantly decrease the dependence on wood imports as the Canton's production represents only 5% of total consumption. In the comparison of space life support systems ARES and BIORAT, BIORAT outperforms ARES in resource use but not in energy use. However, as the systems are dimensioned very differently, it remains questionable whether they can be compared outright. In conclusion, the use of dynamic material flow analysis can provide useful information for policy makers and strategic decision-making; however, uncertainty in reference data greatly influences the precision of the results. Space life support systems constitute an extreme case of resource-using systems; nevertheless, it is not clear how their example could be of immediate use to terrestrial systems.

Resilient housing : a new resource-oriented approach

The institutional regimes framework has previously been applied to the institutional conditions that support or hinder the sustainability of housing stocks. This resource-based approach identifies the actors across different sectors that have an interest in housing, how they use housing, the mechanisms affecting their use (public policy, use rights, contracts, etc.) and the effects of their uses on the sustainability of housing within the context of the built environment. The potential of the institutional regimes framework is explored for its suitability to the many considerations of housing resilience. By identifying all the goods and services offered by the resource 'housing stock', researchers and decision-makers could improve the resilience of housing by better accounting for the ecosystem services used by housing, decreasing the vulnerability of housing to disturbances, and maximizing recovery and reorganization following a disturbance. The institutional regimes framework is found to be a promising tool for addressing housing resilience. Further questions are raised for translating this conceptual framework into a practical application underpinned with empirical data.

Tectonomagmatic evolution of Western Amazonia: Geochemical characterization and zircon U-Pb geochronologic constraints from the Peruvian Eastern Cordilleran granitoids

The results of a coupled, in situ laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) U-Pb study on zircon and geochemical characterization of the Eastern Cordilleran intrusives of Peru reveal 1.15 Ga of intermittent magmatism along central Western Amazonia, the Earth's oldest active open continental margin. The eastern Peruvian batholiths are volumetrically dominated by plutonism related to the assembly and breakup of Pangea during the Paleozoic-Mesozoic transition. A Carboniferous-Permian (340-285 Ma) continental arc is identified along the regional orogenic strike from the Ecuadorian border (6 degrees S) to the inferred inboard extension of the Arequipa-Antofalla terrane in southern Peru (14 degrees S). Widespread crustal extension and thinning, which affected western Gondwana throughout the Permian and Triassic resulted in the intrusion of the late- to post-tectonic La Merced-San Ramon-type anatectites dated between 275 and 220 Ma, while the emplacement of the southern Cordillera de Carabaya peraluminous granitoids in the Late Triassic to Early Jurassic (220-190 Ma) represents, temporally and regionally, a separate tectonomagmatic event likely related to resuturing of the Arequipa-Antofalla block. Volcano-plutonic complexes and stocks associated with the onset of the present Andean cycle define a compositionally bimodal alkaline suite and cluster between 180 and 170 Ma. A volumetrically minor intrusive pulse of Oligocene age (ca. 30 Ma) is detected near the southwestern Cordilleran border with the Altiplano. Both post-Gondwanide (30-170 Ma), and Precambrian plutonism (691-1123 Ma) are restricted to isolated occurrences spatially comprising less than 15% of the Eastern Cordillera intrusives. Only one remnant of a Late Ordovician intrusive belt is recognized in the Cuzco batholith (446.5 +/- 9.7 Ma) indicating that the Famatinian arc system previously identified in Peru along the north-central Eastern Cordillera and the coastal Arequipa-Antofalla terrane also existed inboard of this parautochthonous crustal fragment. Hitherto unknown occurrences of late Mesoproterozoic and middle Neoproterozoic granitoids from the south-central cordilleran segment define magmatic events at 691 +/- 13 Ma, 751 +/- 8 Ma, 985 +/- 14 Ma, and 1071-1123 +/- 23 Ma that are broadly coeval with the Braziliano and Grenville-Sunsas orogenies, respectively. Our data suggest the existence of a continuous orogenic belt in excess of 3500 km along Western Amazonia during the formation of Rodinia, its ``early'' fragmentation prior to 690 Ma, and support a model of reaccretion of the Paracas-Arequipa-Antofalla terrane to western Gondwana in the Early Ordovician with subsequent detachment of the Paracas segment in form of the Mexican Oaxaquia microcontinent in Middle Ordovician. A tectonomagmatic model involving slab detachment, followed by underplating of cratonic margin by asthenospheric mantle is proposed for the genesis of the volumetrically dominant Late Paleozoic to early Mesozoic Peruvian Cordilleran batholiths.

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

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