Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.

Long-term cerebral plasticity-related gene expression : a study of the respective role of CBP and CRTC1 in CREB transcriptional activation

1.1 AbstractThe treatment of memory disorders and cognitive deficits in various forms of mental retardation may greatly benefit from a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of memory formation. Different forms of memory have distinct molecular requirements.Short-term memory (STM) is thought to be mediated by covalent modifications of existing synaptic molecules, such as phosphorylation or dephosphorylation of enzymes, receptors or ion channels. In contrast, long-term memoiy (LTM) is thought to be mediated by growth of new synapses and restructuring of existing synapses. There is extensive evidence that changes in gene expression and de novo protein synthesis are key processes for LTM formation. In this context, the transcription factor CREB (cAMP-response element-binding protein) was shown to be crucial. Activation of CREB requires phosphorylation of a serine residue (Ser-133), and the subsequent recruitment of a coactivator called CREB-binding protein (CBP). Moreover, we have recently shown that another coactivator called CREB Regulated Transcription Coactivator 1 (CRTC1) functions as a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector in neurons, and is involved in hippocampal long-term synaptic plasticity. Given the importance of cAMP and calcium signaling for plasticity-related gene expression in neurons and in astrocytes, we sought to determine the respective involvement of the CREB coactivators CBP and CRTC1 in CREB-mediated transcription.We developed various strategies to selectively interfere with these CREB coactivators in mouse primary neurons and in astrocytes in vitro. However, despite several pieces of evidence implicating CBP and/or CRTC1 in the regulation of neuronal plasticity genes, we could not clearly determine the respective requirement of these coactivators for the activation of these genes. Nevertheless, we showed that calcineurin activity, which is important for CRTC1 nuclear translocation, is necessary for the expression of some CREB-regulated plasticity genes. We associated this phenomena to physiopathological conditions observed in Down's syndrome. In addition, we demonstrated that in astrocytes, noradrenaline stimulates CREB-target gene expression through β-adrenergic receptor activation, intracellular cAMP pathway activation, and CRTC-induced CREB transactivation.Defining the respective role of CREB and its coactivators CBP and CRTC1 in neuronal and astrocytic cultures in vitro sets the stage for future in vivo studies and for the possible development of new therapeutic strategies to improve the treatment of memoiy and cognitive disorders.1.2 RésuméUne meilleure connaissance des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la formation de la mémoire pourrait grandement améliorer le traitement des troubles de la mémoire ainsi que des déficits cognitifs observés dans différentes formes de pathologies psychiatriques telles que le retard mental. Les différentes formes de mémoire dépendent de processus moléculaires différents.La mémoire à court terme (STM) semble prendre forme suite à des modifications covalentes de molécules synaptiques préexistantes, telles que la phosphorylation ou la déphosphorylation d'enzymes, de récepteurs ou de canaux ioniques. En revanche, la mémoire à long terme (LTM) semble être due à la génération de nouvelles synapses et à la restructuration des synapses existantes. De nombreuses études ont permis de démontrer que les changements dans l'expression des gènes et la synthèse de protéine de novo sont des processus clés pour la formation de la LTM. Dans ce contexte, le facteur de transcription CREB (cAMP-response element-binding protein) s'est avéré être un élément crucial. L'activation de CREB nécessite la phosphorylation d'un résidu sérine (Ser-133), et le recrutement d'un coactivateur nommé CBP (CREB binding protein). En outre, nous avons récemment démontré qu'un autre coactivateur de CREB nommé CRTC1 (CREB Regulated Transcription Coactivator 1) agit comme un détecteur de coïncidence de l'AMP cyclique (AMPc) et du calcium dans les neurones et qu'il est impliqué dans la formation de la plasticité synaptique à long terme dans l'hippocampe. Etant donné l'importance des voies de l'AMPc et du calcium dans l'expression des gènes impliqués dans la plasticité cérébrale, nous voulions déterminer le rôle respectif des coactivateurs de CREB, CBP et CRTC1.Nous avons développé diverses stratégies pour interférer de façon sélective avec les coactivateurs de CREB dans les neurones et dans les astrocytes chez la souris in vitro. Nos résultats indiquent que CBP et CRTC1 sont tous deux impliqués dans la transcription dépendante de CREB induite par l'AMPc et le calcium dans les neurones. Cependant, malgré plusieurs évidences impliquant CBP et/ou CRTC1 dans l'expression de gènes de plasticité neuronale, nous n'avons pas pu déterminer clairement leur nécessité respective pour l'activation de ces gènes. Toutefois, nous avons montré que l'activité de la calcineurine, dont dépend la translocation nucléaire de CRTC1, est nécessaire à l'expression de certains de ces gènes. Nous avons pu associer ce phénomène à une condition physiopathologique observée dans le syndrome de Down. Nous avons également montré que dans les astrocytes, la noradrénaline stimule l'expression de gènes cibles de CREB par une activation des récepteurs β- adrénergiques, l'activation de la voie de l'AMPc et la transactivation de CREB par les CRTCs.Définir le rôle respectif de CREB et de ses coactivateurs CBP et CRTC1 dans les neurones et dans les astrocytes in vitro permettra d'acquérir les connaissances nécessaires à de futures études in vivo et, à plus long terme d'éventuellement développer des stratégies thérapeutiques pour améliorer les traitements des troubles cognitifs.

A CRTC1 deficient mouse line study : relevance to mood disorders

Summary Mood disorders are among the most prevalent, psychosocial^ debilitating, chronic and relapsing forms of psychiatric illnesses. Despite considerable advances in their characterization, the heterogeneous nature of susceptibility factors and patient's symptoms could account for the lack of totally effective and remissive treatment. The neurobiological hypothesis of mood disorders etiology has evolved since the monoamine and neurotrophin theories and current evidence is pointing toward their integration in a broader polygenic epistatic model resulting in defective neuroplasticity of circuitries involved in emotion processing. Consequently, the unraveling of molecular underpinning pathways involved in neuronal plasticity, commonly altered among mood disorder syndromes and symptoms, should shed light on their etiology and provide new drug target. The transcription factor CREB has been critically involved in the long-lasting forms of neuronal plasticity and in the regulation of several mood disorders susceptibility genes. In addition, altered CREB activity has been associated with mood disorders pathophysiology and pharmacotherapy. Interestingly, the newly-identified protein CREB-regulated transcription coactivator 1 (CRTC1) was shown by previous studies in the laboratory to be a neuroactivity- dependent cAMP and calcium sensor, a potent activator of CREB-dependent transcription and involved in neuroplasticity mechanisms associated with long-term synaptic potentiation. Furthermore, the major mood disorder susceptibility gene Bdnf was suggested to be transcriptional regulated by CRTC1. Therefore, we aimed to investigate a role for CRTC1 in mood disorders by generating and characterizing a Crtcl deficient mouse model at the behavioral and molecular levels. Interestingly, their comprehensive characterization revealed a behavioral profile mirroring several major symptoms comorbid in mood disorders, including altered social interactions, aggressive behaviors, obesity, psychomotor retardation, increased emotional response to stress, decreased sexual drive and depression-like behaviors. To investigate the molecular mechanisms underlying these pathological behaviors and the implication of CRTC1 in the regulation of CREB-regulated genes in vivo, we also quantified transcript levels of several relevant CREB-regulated susceptibility genes in brain structures involved in the pathophysiology of mood disorders. Strikingly, we found the underexpression of primary components of the neurotrophin system: Bdnf and its cognate receptor TrkB, a marked decrease in the Nr4a family of transcription factors, implicated in neuroplasticity and associated with dopamine-related disorders, as well as in several other relevant CREB regulated genes. Moreover, neurochemical analysis revealed that Crtcl null mice presented alteration in prefrontal cortical monoamine turnover as well as in hippocampal and accumbal serotonin levels, similarly associated with mood disorders etiology and pharmacotherapy. Together, the present thesis supports the involvement of CRTC1 pathway hypofunction in the pathogenesis of mood disorders and specifically in pathological aggression, obesity and depression-related behavior comorbidities. Ultimately, CRTC1 may represent an interesting antidepressant, antiaggressive or mood stabilizer drug target candidate through the modulation of major CREB regulated susceptibility genes. Les troubles de l'humeur comptent parmi les maladies psychiatriques les plus prévalentes, psychosocialement débilitantes, chroniques et avec le plus grand risque de rechute. Malgré de considérable avancées dans leur caractérisation, la nature hétérogène des facteurs de susceptibilité et des symptômes présentés par les patients, semble justifier l'absence de traitement entraînant une rémission complète de la maladie. L'hypothèse de l'étiologie neurobiologique des troubles de l'humeur a évolué depuis la théorie des monoamines et des neurotrophines. Actuellement, elle tend à les englober dans un modèle polygénique épistatique induisant une déficience de la neuroplasticité des circuits impliqué dans la régulation des émotions. Par conséquent, il apparaît particulièrement relevant de caractériser des voies moléculaires impliquées dans la plasticité neuronale, communément altérées parmi les différents syndromes et symptômes des maladies de l'humeur, afin d'améliorer leur compréhension ainsi que de proposer de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles. Le facteur de transcription CREB a été de façon répétée et cohérente impliqué dans les mécanismes à long terme de la plasticité neuronale, ainsi que dans la régulation de plusieurs gènes de susceptibilité aux maladies de l'humeur. De plus, une altération dans l'activité de CREB a été impliqué dans leur étiologie et pharmacothérapie. De façon intéressante, des résultats préliminaires sur la protéine récemment découverte CREB-regulated transcription coactivator 1 (CRTC1) ont indiqué que son activation était dépendante de l'activité neuronale, qu'il était un senseur du calcium et de l'AMPc, ainsi qu'un coactivateur de CREB requis et puissant impliqué dans les mécanismes de plasticité neuronale associés à la potentialisation à long terme. En outre, des résultats ont suggéré que le gène majeur de susceptibilité Bdnf est régulé par CRTC1. Ainsi, notre objectif a été d'investiguer un rôle éventuel de CRTC1 dans les maladies de l'humeur en générant et caractérisant une lignée de souris déficiente pour Crtcl, tant au niveau comportemental que moléculaire. De façon intéressante, leur caractérisation détaillée a révélé un profil comportemental reflétant de nombreux aspects des maladies de l'humeur incluant une altération des interactions sociales, une agression pathologique, l'obésité, un retard psychomoteur, une réponse émotionnelle au stress accrue, une diminution de la motivation sexuelle, et des comportements reliés à la dépression. Afin d'investiguer les mécanismes moléculaires sous- jacents cette altération du comportement, ainsi que l'implication de CRTC1 dans l'expression des gènes régulés par CREB in vivo, nous avons quantifié les niveaux de transcrits de plusieurs gènes de susceptibilité régulés par CREB et impliqués dans la physiopathologie des maladies de l'humeur. Remarquablement, nous avons trouvé la sous-expression de composants primordiaux du système neurotrophique: Bdnf et son récepteur TrkB, une diminution majeure de la famille des facteurs de transcription Nr4a, impliqués dans la neuroplasticité et associés à des désordres liés à la dopamine, ainsi que de nombreux autres gènes relevants régulés par CREB. De plus, une analyse neurochimique a révélé que les souris déficientes pour Crtcî présentent une altération du turn-over des monoamines du cortex préfrontal ainsi que des niveaux hippocampaux et accumbaux de sérotonine, associés de façon similaire dans l'étiologie et la pharmacothérapie des maladies de l'humeur. Vue dans son ensemble, la présente thèse supporte l'implication d'une sous-régulation de la voie de CRTCI dans la pathogenèse des maladies de l'humeur ainsi que dans la comorbidité de l'agression pathologique, l'obésité et la dépression. En conclusion, CRTCI pourrait représenter une cible médicamenteuse intéressante aux propriétés antidépressante, antiagressive ou stabilisatrice de l'humeur au travers de la modulation de gènes de susceptibilité majeurs régulés par CREB.

Neurobiologia, coscienza e neuroetica. Ricerche filosofiche in margine al dialogo tra G.P. CHANGEUX e P. RICOEUR

Le neuroscienze occupano oggi un ruolo essenziale nel dibattito scientifico e filosofico, nonché in quello delle scienze umane. Esse costituiscono la sfida più seria al sapere fin qui elaborato intorno ai fondamenti dell'esperienza di coscienza, poiché si propongono come capaci di rispondere alla domanda di origine e funzionamento della coscienza. Le neuroscienze cognitive stanno, oggi, rivoluzionando la nostra concezione della mente e delle sue funzioni. Ci forniscono nuovi dati sulla natura delle sensazioni, della memoria, della percezione e dei processi di astrazione. L'epistemologia è rientrata così pienamente nell'ambito di una disciplina sperimentale, come diversi filosofi (da Hume a Quine) hanno auspicato. È, alla fine, evoluta nell'esperienza odierna della cosiddetta "epistemologia sperimentale", luogo che coniuga il rigore sperimentale della scienza con la profondità e la sofisticazione argomentativa della tradizione filosofica. Come arriviamo a conoscere? Quali vincoli poniamo a quello che deve essere conosciuto? Perché seguiamo certe vie invece di altre? Come arriviamo a formulare giudizi e a prendere decisioni? Che valore ha la conoscenza già acquisita nell'elaborazione di nuove esperienze? In particolare, che peso hanno le aspettative e i ricordi in questo processo? Qual è il rapporto fra esperienza, conoscenza e memoria? Come si fissano e come si richiamano i ricordi? Qual è il rapporto fra coscienza e memoria? Sono alcune delle domande che l'autore si pone in questa ottica e alle quali cerca di rispondere, a partire dall'analisi e valutazione del dialogo-dibattito fra J.-P. Changeux e P. Ricoeur, per apprenderne il linguaggio, capire i problemi sollevati, adattarsi alla complessità della materia. Nel contesto della filosofia della mente, la "lettura" della discussione ripercorre i relativi percorsi attraverso l'analisi delle loro opere, da un lato quelle dello scienziato (sulla struttura e dinamica del cervello, la teoria dell'epigenesi e stabilizzazione selettiva, le speculazioni sull'uomo neuronale e i rilievi antropologici, le teorie della conoscenza e della coscienza, oltre che sulla conoscenza matematica, gli argomenti di estetica ed etica); dall'altro lato quelle del filosofo (dal Cogito riflessivo alla scoperta dell'ermeneutica, dalle eterogenee riflessioni sul Conflitto delle interpretazioni alla grande teoria sulla creatività del linguaggio, le conclusioni teoriche sull'ermeneutica del sé e l'ontologia dell'agire). Il punto di arrivo è la determinazione delle relative posizioni: quella di Changeux tra i neuroscienziati che si occupano di questioni filosofiche, epistemologiche ed etiche, e quella di Ricoeur tra i filosofi che si occupano di neuroscienze. La conclusione della tesi si svolge in un approfondimento teoretico che dalla nozione di "traccia" porta all'esperienza della "memoria", al fine di intrecciare i fili della discussione ripercorsa ed offrire una sponda non forzata al dibattito più ampio. Il tema della memoria è privilegiato per ragioni intrinseche, poiché si tratta di uno dei temi precipui delle neuroscienze, della filosofia della mente e della fenomenologia. A un primo livello viene instaurato su questo punto un confronto epistemologico tra la proposta della neurofenomenologia (Varala, ad esempio) e la posizione tenuta in particolare da Ricoeur rispetto ad essa e al suo "progetto unificante", posizione defilata e, per certi aspetti, criticamente dubbiosa sul fatto che si possa davvero giungere a un "terzo discorso". Si riferisce poi del largo interesse e dei risultati più significativi della riflessione fenomenologica antica e moderna sulla memoria. A un secondo livello vengono illustrati i programmi di ricerca recenti della neurofenomenologia su questo argomento all'interno delle scienze cognitive e si dà conto dei risultati più significativi. Ad un terzo e conclusivo livello, si approfondisce il significato teologico della memoria. Les neurosciences ont aujourd'hui un rôle essentiel dans le débat scientifique et philosophique, ainsi que dans celui des sciences humaines. Elles constituent le défi le plus sérieux aux savoir qu'on a construit jusqu'ici sur les fondements de l'expérience de conscience, attendu qu'elles-mêmes se considèrent capables de répondre à la demande sur l'origine e le fonctionnement de la conscience. Les neurosciences cognitives sont aujourd'hui en train de révolutionner notre conception de l'esprit et des ses fonctions. Elles nous offrent des nouvelles données au sujet de la nature de nos sensations, mémoire, perception et procédés d'abstraction. Aussi l'épistémologie est rentrée pleinement dans le domaine d'une discipline expérimentale, comme plusieurs philosophes (de Hume à Quine) l'ont souhaité. Elle s'est enfin adressée, dans l'expérience actuelle, vers la soi-disant "épistémologie expérimentale", lieu qui met en accord la rigueur expérimentale de la science avec la profondeur et la sophistiquée finesse argumentative de la tradition philosophique. Comment en arrivons-nous à connaître? Quels liens mettons-nous à ce qu'on doit être connu? Pourquoi suivons-nous certaines vois au lieu d'autres? Comment en arrivons-nous à formuler des opinions et à prendre des décisions? Quelle valeur a la connaissance qu'on a déjà acquise par l'élaboration des nouvelles expériences? En particulier, quelle est l'importance des attentes et des souvenirs dans cette évolution? Quel est le rapport entre expérience, connaissance e mémoire? Comment fixons et rappelons-nous nos souvenirs? Quel est le rapport entre conscience et mémoire? Ces sont quelques-unes des questions que l'auteur se pose dans cette perspective et aux quelles essaie de répondre a partir de l'analyse et l'évaluation du dialogue-débat entre fra J.-P. Changeux et P. Ricoeur, pour en apprendre le langage, comprendre les problèmes soulevés, s'adapter à la complexité du sujet. Dans le contexte de la philosophie du cerveau, la "lecture" du dialogue reparcourt les parcours des deux interlocuteurs par l'analyse de leur ouvrages, d'une part celles du savant (sur la structure et la dynamique du cerveau, la théorie de l'épigenèse et stabilisation sélective; les spéculations sur l'homme neuronal et les commentaires anthropologiques; les théories de la connaissance et de la conscience, de même que sur la connaissance de la mathématique, les sujets d'esthétique et étique; d'autre part celles du philosophe (du Cogito réflexif à la découverte de l'herméneutique, de les hétérogènes réflexions sur le Conflit des interprétations à la grande théorie sur la créativité du langage, les conclusions théoriques sur l'herméneutique du soi et l'ontologie de l'agir). L'issue est la determination des relatives positions: celle de Changeux parmi les neuro-scientifiques qui s'occupent de questions philosophiques, épistémologiques et éthiques, et celle de Ricoeur parmi les philosophes qui s'occupent de neurosciences. La conclusion de la thèse se développe dans un approfondissement théorétique que de la notion de "trace" à l'expérience de la "mémoire", à l'effet de nouer les fils de la discussion passée en revue et d'assurer un appui pas forcé au débat plus vaste. Le thème de la mémoire a été choisi pour des raisons intrinsèques, puisqu'il est un des thèmes principaux des neurosciences, de la philosophie de l'esprit et de la phénoménologie. Sur un premier plan épistémologique il est établi une comparaison entre la proposition de la neurophénoménologie (Varala, par exemple) et la position soutenue en particulier par Ricoeur au sujet de ce courant phénoménologique et de son "projet unifiant", position défilée et, à certains égards, critiquement hésitante sur le fait qu'on puisse vraiment en venir à un "troisième discours". On rend compte du grand intérêt et des résultats les plus significatifs de la réflexion phénoménologique ancienne et moderne sur la mémoire. Sur un second plan neurophénoménologique on illustre des plans de recherche récents sur cet argument au-dedans des sciences cognitives et on rend compte des résultats les plus distinctives. Sur un troisième et conclusif plan on approfondit le sens théologique de la mémoire.

Establishment of models to study mouse and human retinogenesis "in vitro" : isolation and characterization of retinal stem cells

SUMMARY IN FRENCH Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables a) de proliférer, b) de s'auto¬renouveller, c) de produire des cellules différenciées, postmitotiques et fonctionnelles (multipotencialité), et d) de régénérer le tissu après des lésions. Par exemple, les cellules de souches hematopoiétiques, situées dans la moelle osseuse, peuvent s'amplifier, se diviser et produire diverses cellules différenciées au cours de la vie, les cellules souches restant dans la moelle osseuse et consentant leur propriété. Les cellules souches intestinales, situées dans la crypte des microvillosités peuvent également régénérer tout l'intestin au cours de la vie. La rétine se compose de six classes de neurones et d'un type de cellule gliale. Tous ces types de cellules sont produits par un progéniteur rétinien. Le pic de production des photorécepteurs se situe autour des premiers jours postnatals chez la souris. A cette période la rétine contient les cellules hautement prolifératives. Dans cette étude, nous avons voulu analyser le phénotype de ces cellules et leur potentiel en tant que cellules souches ou progénitrices. Nous nous sommes également concentrés sur l'effet de certains facteurs épigéniques sur leur destin cellulaire. Nous avons observé que toutes les cellules prolifératives isolées à partir de neurorétines postnatales de souris expriment le marqueur de glie radiaire RC2, ainsi que des facteurs de transcription habituellement trouvés dans la glie radiaire (Mash1, Pax6), et répondent aux critères des cellules souches : une capacité élevée d'expansion, un état indifférencié, la multipotencialité (démontrée par analyse clonale). Nous avons étudié la différentiation des cellules dans différents milieux de culture. En l'absence de sérum, l'EGF induit l'expression de la β-tubulin-III, un marqueur neuronal, et l'acquisition d'une morphologie neuronale, ceci dans 15% des cellules présentes. Nous avons également analysé la prolifération de cellules. Seulement 20% des cellules incorporent le bromodéoxyuridine (BrdU) qui est un marqueur de division cellulaire. Ceci démontre que l'EGF induit la formation des neurones sans une progression massive du cycle cellulaire. Par ailleurs, une stimulation de 2h d'EGF est suffisante pour induire la différentiation neuronale. Certains des neurones formés sont des cellules ganglionnaires rétiniennes (GR), comme l'indique l'expression de marqueurs de cellules ganglionnaires (Ath5, Brn3b et mélanopsine), et dans de rare cas d'autres neurones rétiniens ont été observés (photorécepteurs (PR) et cellules bipolaires). Nous avons confirmé que les cellules souches rétiniennes tardives n'étaient pas restreintes au cours du temps et qu'elles conservent leur multipotencialité en étant capables de générer des neurones dits précoces (GR) ou tardifs (PR). Nos résultats prouvent que l'EGF est non seulement un facteur contrôlant le développement glial, comme précédemment démontré, mais également un facteur efficace de différentiation pour les neurones rétiniens, du moins in vitro. D'autre part, nous avons voulu établir si l'oeil adulte humain contient des cellules souches rétiniennes (CSRs). L'oeil de certains poissons ou amphibiens continue de croître pendant l'âge adulte du fait de l'activité persistante des cellules souches rétiniennes. Chez les poissons, le CSRs se situe dans la marge ciliaire (CM) à la périphérie de la rétine. Bien que l'oeil des mammifères ne se développe plus pendant la vie d'adulte, plusieurs groupes ont prouvé que l'oeil de mammifères adultes contient des cellules souches rétiniennes également dans la marge ciliaire plus précisément dans l'épithélium pigmenté et non dans la neurorétine. Ces CSRs répondent à certains critères des cellules souches. Nous avons identifié et caractérisé les cellules souches rétiniennes résidant dans l'oeil adulte humain. Nous avons prouvé qu'elles partagent les mêmes propriétés que leurs homologues chez les rongeurs c.-à-d. auto-renouvellement, amplification, et différenciation en neurones rétiniens in vitro et in vivo (démontré par immunocoloration et microarray). D'autre part, ces cellules peuvent être considérablement amplifiées, tout en conservant leur potentiel de cellules souches, comme indiqué par l'analyse de leur profil d'expression génique (microarray). Elles expriment également des gènes communs à diverses cellules souches: nucleostemin, nestin, Brni1, Notch2, ABCG2, c-kit et son ligand, aussi bien que cyclin D3 qui agit en aval de c-kit. Nous avons pu montré que Bmi1et Oct4 sont nécessaires pour la prolifération des CSRs confortant leur propriété de cellules souches. Nos données indiquent que la neurorétine postnatale chez la souris et l'épithélium pigmenté de la marge ciliaire chez l'humain adulte contiennent les cellules souches rétiniennes. En outre, nous avons développé un système qui permet d'amplifier et de cultiver facilement les CSRs. Ce modèle permet de disséquer les mécanismes impliqués lors de la retinogenèse. Par exemple, ce système peut être employé pour l'étude des substances ou des facteurs impliqués, par exemple, dans la survie ou dans la génération des cellules rétiniennes. Il peut également aider à disséquer la fonction de gènes ou les facteurs impliqués dans la restriction ou la spécification du destin cellulaire. En outre, dans les pays occidentaux, la rétinite pigmentaire (RP) touche 1 individu sur 3500 et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) affecte 1 % à 3% de la population âgée de plus de 60 ans. La génération in vitro de cellules rétiniennes est aussi un outil prometteur pour fournir une source illimitée de cellules pour l'étude de transplantation cellulaire pour la rétine. SUMMARY IN ENGLISH Stem cells are defined as undifferentiated cells capable of a) proliferation, b) self maintenance (self-renewability), c) production of many differentiated functional postmitotic cells (multipotency), and d) regenerating tissue after injury. For instance, hematopoietic stem cells, located in bone marrow, can expand, divide and generate differentiated cells into the diverse lineages throughout life, the stem cells conserving their status. In the villi crypt, the intestinal stem cells are also able to regenerate the intestine during their life time. The retina is composed of six classes of neurons and one glial cell. All these cell types are produced by the retinal progenitor cell. The peak of photoreceptor production is reached around the first postnatal days in rodents. Thus, at this stage the retina contains highly proliferative cells. In our research, we analyzed the phenotype of these cells and their potential as possible progenitor or stem cells. We also focused on the effect of epigenic factor(s) and cell fate determination. All the proliferating cells isolated from mice postnatal neuroretina harbored the radial glia marker RC2, expressed transcription factors usually found in radial glia (Mash 1, Pax6), and met the criteria of stem cells: high capacity of expansion, maintenance of an undifferentiated state, and multipotency demonstrated by clonal analysis. We analyzed the differentiation seven days after the transfer of the cells in different culture media. In the absence of serum, EGF led to the expression of the neuronal marker β-tubulin-III, and the acquisition of neuronal morphology in 15% of the cells. Analysis of cell proliferation by bromodeoxyuridine incorporation revealed that EGF mainly induced the formation of neurons without stimulating massively cell cycle progression. Moreover, a pulse of 2h EGF stimulation was sufficient to induce neuronal differentiation. Some neurons were committed to the retinal ganglion cell (RGC) phenotype, as revealed by the expression of retinal ganglion markers (Ath5, Brn3b and melanopsin), and in few cases to other retinal phenotypes (photoreceptors (PRs) and bipolar cells). We confirmed that the late RSCs were not restricted over-time and conserved multipotentcy characteristics by generating retinal phenotypes that usually appear at early (RGC) or late (PRs) developmental stages. Our results show that EGF is not only a factor controlling glial development, as previously shown, but also a potent differentiation factor for retinal neurons, at least in vitro. On the other hand, we wanted to find out if the adult human eye contains retina stem cells. The eye of some fishes and amphibians continues to grow during adulthood due to the persistent activity of retinal stem cells (RSCs). In fish, the RSCs are located in the ciliary margin zone (CMZ) at the periphery of the retina. Although, the adult mammalian eye does not grow during adult life, several groups have shown that the adult mouse eye contains retinal stem cells in the homologous zone (i.e. the ciliary margin), in the pigmented epithelium and not in the neuroretina. These RSCs meet some criteria of stem cells. We identified and characterized the human retinal stem cells. We showed that they posses the same features as their rodent counterpart i.e. they self-renew, expand and differentiate into retinal neurons in vitro and in vivo (indicated by immunostaining and microarray analysis). Moreover, they can be greatly expanded while conserving their sternness potential as revealed by the gene expression profile analysis (microarray approach). They also expressed genes common to various stem cells: nucleostemin, nestin, Bmil , Notch2, ABCG2, c-kit and its ligand, as well as cyclin D3 which acts downstream of c-kit. Furthermore, Bmil and Oct-4 were required for RSC proliferation reinforcing their stem cell identity. Our data indicate that the mice postnatal neuroretina and the adult pigmented epithelium of adult human ciliary margin contain retinal stem cells. We developed a system to easily expand and culture RSCs that can be used to investigate the retinogenesis. For example, it can help to screen drugs or factors involved, for instance, in the survival or generation of retinal cells. This could help to dissect genes or factors involved in the restriction or specification of retinal cell fate. In Western countries, retinitis pigmentosa (RP) affects 1 out of 3'500 individuals and age-related macula degeneration (AMD) strikes 1 % to 3% of the population over 60. In vitro generation of retinal cells is thus a promising tool to provide an unlimited cell source for cellular transplantation studies in the retina.

Ammonia-induced toxicity in developing brain cells and strategies for neuroprotection

RESUME L'hyperammonémie est particulièrement toxique pour le cerveau des jeunes patients et entraîne une atrophie corticale, un élargissement des ventricules et des défauts de myélinisation, responsables de retards mentaux et développementaux. Les traitements actuels se limitent à diminuer le plus rapidement possible le taux d'ammoniaque dans l'organisme. L'utilisation de traitements neuroprotecteurs pendant les crises d'hyperammonémie permettrait de contrecarrer les effets neurologiques de l'ammoniaque et de prévenir l'apparition des troubles neurologiques. Au cours de cette thèse, nous avons testé trois stratégies de neuroprotection sur des cultures de cellules en agrégats issues du cortex d'embryons de rats et traitées à l'ammoniaque. - Nous avons tout d'abord testé si l'inhibition de protéines intracellulaires impliquées dans le déclenchement de la mort cellulaire pouvait protéger les cellules de la toxicité de l'ammoniaque. Nous avons montré que L'exposition à l'ammoniaque altérait la viabilité des neurones et des oligodendrocytes, et activait les caspases, la calpaïne et la kinase-5 dépendante des cyclines (cdk5) associée à son activateur p25. Alors que l'inhibition pharmacologique des caspases et de la calpaïne n'a pas permis de protéger les cellules cérébrales, un inhibiteur de la cdk5, appelé roscovitine, a réduit significativement la mort neuronale. L'inhibition de la cdk5 semble donc être une stratégie thérapeutique prometteuse pour prévenir 1es effets toxiques de 1'ammoniaque sur les neurones. - Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuroprotecteurs déclenchés par le cerveau en réponse à la toxicité de l'ammoniaque. Nous avons montré que l'ammoniaque induisait la synthèse du facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) par les astrocytes, via l'activation de la protéine kinase (MIAPK) p38. D'autre part, l'ajout de CNTF a permis de protéger les oligodendrocytes mais pas les neurones des cultures exposées à l'ammoniaque, via les voies de signalisations JAK/STAT, SAPK/JNK et c-jun. - Dans une dernière partie, nous avons voulu contrecarrer, par l'ajout de créatine, le déficit énergétique cérébral induit par l'ammoniaque. La créatine a permis de protéger des cellules de type astrocytaire mais pas les cellules cérébrales en agrégats. Cette thèse amis en évidence que les stratégies de neuroprotection chez les patients hyperammonémiques nécessiteront de cibler plusieurs voies de signalisation afin de protéger tous les types cellulaires du cerveau. Summary : In pediatric patients, hyperammonemia is mainly caused by urea cycle disorders or other inborn errors of metabolism, and leads to neurological injury with cortical atrophy, ventricular enlargement and demyelination. Children rescued from neonatal hyperammonemia show significant risk of mental retardation and developmental disabilities. The mainstay of therapy is limited to ammonia lowering through dietary restriction and alternative pathway treatments. However, the possibility of using treatments in a neuroprotective goal may be useful to improve the neurological outcome of patients. Thus, the main objective of this work was to investigate intracellular and extracellular signaling pathways altered by ammonia tonicity, so as to identify new potential therapeutic targets. Experiments were conducted in reaggregated developing brain cell cultures exposed to ammonia, as a model for the developing CNS of hyperammonemic young patients. Theses strategies of neuroprotection were tested: - The first strategy consisted in inhibiting intracellular proteins triggering cell death. Our data indicated that ammonia exposure altered the viability of neurons and oligodendrocytes. Apoptosis and proteins involved in the trigger of apoptosis, such as caspases, calpain and cyclin-dependent kinase-5 (cdk5) with its activator p25, were activated by ammonia exposure. While caspases and calpain inhibitors exhibited no protective effects, roscovitine, a cdk5 inhibitor, reduced ammonia-induced neuronal death. This work revealed that inhibition of cdk5 seems a promising strategy to prevent the toxic effects of ammonia on neurons. - The second strategy consisted in mimicking, the endogenous protective mechanisms triggered by ammonia in the brain. Ammonia exposure caused an increase of the ciliary neurotrophic factor (CNTF) expression, through the activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in astrocytes. Treatment of cultures exposed to ammonia with exogenous CNTF demonstrated strong protective effects on oligodendrocytes but not on neurons. These protective effects seemed to involve JAK/STAT, SAPK/JNK and c-jun proteins. - The third strategy consisted in preventing the ammonia-induced cerebral energy deficit with creatine. Creatine treatment protected the survival of astrocyte-like cells through MAPKs pathways. In contrast, it had no protective effects in reaggregated developing brain cell cultures exposed to ammonia. The present study suggests that neuroprotective strategies should optimally be directed at multiple targets to prevent ammonia-induced alterations of the different brain cell types.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

Molecular genetics of ocular diseases

The eye is a complex organ, which provides one of our most important senses, sight. The retina is the neuronal component of the eye and represents the connection with the central nervous system for the transmission of the information that leads to image processing. Retinitis pigmentosa (RP) is one of the most common forms of inherited retinal degeneration, in which the primary death of rods, resulting in night blindness, is always followed by the loss of cones, which leads to legal blindness. Clinical and genetic heterogeneity in retinitis pigmentosa is not only due to different mutations in different genes, but also to different effects of the same mutation in different individuals, sometimes even within the same family. My thesis work has been mainly focused on an autosomal dominant form of RP linked to mutations in the PRPF31 gene, which often shows reduced penetrance. Our study has led to the identification of the major regulator of the penetrance of PRPF31 mutations, the CNOT3 protein, and to the characterization of its mechanism of action. Following the same rationale of investigating molecular mechanisms that are responsible for clinical and genetic heterogeneity of retinitis pigmentosa, we studied a recessive form of the disease associated with mutations in the recently-identified gene FAMI61 A, where mutations in the same gene give rise to variable clinical manifestations. Our data have increased the knowledge of the relationship between genotype and phenotype in this form of the disease. Whole genome sequencing technique was also tested as a strategy for disease gene identification in unrelated patients with recessive retinitis pigmentosa and proved to be effective in identifying disease-causing variants that might have otherwise failed to be detected with other screening methods. Finally, for the first time we reported a choroidal tumor among the clinical manifestations of PTEN hamartoma tumor syndrome, a genetic disorder caused by germline mutations of the tumor suppressor gene PTEN. Our study has highlighted the heterogeneity of this choroidal tumor, showing that genetic and/or epigenetic alterations in different genes may contribute to the tumor development and growth. - L'oeil est un organe complexe, à l'origine d'un de nos sens les plus importants, la vue. La rétine est la composante neuronale de l'oeil qui constitue la connexion avec le système nerveux central pour la transmission de l'information et qui conduit à la formation des images. La rétinite pigmentaire (RP) est une des formes les plus courantes de dégénérescence rétinienne héréditaire, dans laquelle la mort primaire de bâtonnets, entraînant la cécité nocturne, est toujours suivie par la perte de cônes qui conduit à la cécité complète. L'hétérogénéité clinique et génétique dans la rétinite pigmentaire n'est pas seulement due aux différentes mutations dans des gènes différents, mais aussi à des effets différents de la même mutation chez des individus différents, parfois même dans la même famille. Mon travail de thèse s'est principalement axé sur une forme autosomique dominante de RP liée à des mutations dans le gène PRPF31, associées souvent à une pénétrance réduite, me conduisant à l'identification et à la caractérisation du mécanisme d'action du régulateur principal de la pénétrance des mutations: la protéine CNOT3. Dans la même logique d'étude des mécanismes moléculaires responsables de l'hétérogénéité clinique et génétique de la RP, nous avons étudié une forme récessive de la maladie associée à des mutations dans le gène récemment identifié FAMI61 A, dont les mutations dans le même gène donnent lieu à des manifestations cliniques différentes. Nos données ont ainsi accru la connaissance de la relation entre le génotype et le phénotype dans cette forme de maladie. La technique de séquençage du génome entier a été ensuite testée en tant que stratégie pour l'identification du gène de la maladie chez les patients atteints de RP récessive. Cette approche a montré son efficacité dans l'identification de variantes pathologiques qui n'auraient pu être détectées avec d'autres méthodes de dépistage. Enfin, pour la première fois, nous avons identifié une tumeur choroïdienne parmi les manifestations cliniques du PTEN hamartoma tumor syndrome, une maladie génétique causée par des mutations germinales du gène suppresseur de tumeur PTEN. Notre étude a mis en évidence l'hétérogénéité de cette tumeur choroïdienne, montrant que les altérations génétiques et/ou épigénétiques dans les différents gènes peuvent contribuer au développement et à la croissance tumorale.

Interhemispheric visual integration in humans explored by multimodal brain imaging

Résumé: Les récents progrès techniques de l'imagerie cérébrale non invasives ont permis d'améliorer la compréhension des différents systèmes fonctionnels cérébraux. Les approches multimodales sont devenues indispensables en recherche, afin d'étudier dans sa globalité les différentes caractéristiques de l'activité neuronale qui sont à la base du fonctionnement cérébral. Dans cette étude combinée d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et d'électroencéphalographie (EEG), nous avons exploité le potentiel de chacune d'elles, soit respectivement la résolution spatiale et temporelle élevée. Les processus cognitifs, de perception et de mouvement nécessitent le recrutement d'ensembles neuronaux. Dans la première partie de cette thèse nous étudions, grâce à la combinaison des techniques IRMf et EEG, la réponse des aires visuelles lors d'une stimulation qui demande le regroupement d'éléments cohérents appartenant aux deux hémi-champs visuels pour en faire une seule image. Nous utilisons une mesure de synchronisation (EEG de cohérence) comme quantification de l'intégration spatiale inter-hémisphérique et la réponse BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) pour évaluer l'activité cérébrale qui en résulte. L'augmentation de la cohérence de l'EEG dans la bande beta-gamma mesurée au niveau des électrodes occipitales et sa corrélation linéaire avec la réponse BOLD dans les aires de VP/V4, reflète et visualise un ensemble neuronal synchronisé qui est vraisemblablement impliqué dans le regroupement spatial visuel. Ces résultats nous ont permis d'étendre la recherche à l'étude de l'impact que le contenu en fréquence des stimuli a sur la synchronisation. Avec la même approche, nous avons donc identifié les réseaux qui montrent une sensibilité différente à l'intégration des caractéristiques globales ou détaillées des images. En particulier, les données montrent que l'implication des réseaux visuels ventral et dorsal est modulée par le contenu en fréquence des stimuli. Dans la deuxième partie nous avons a testé l'hypothèse que l'augmentation de l'activité cérébrale pendant le processus de regroupement inter-hémisphérique dépend de l'activité des axones calleux qui relient les aires visuelles. Comme le Corps Calleux présente une maturation progressive pendant les deux premières décennies, nous avons analysé le développement de la fonction d'intégration spatiale chez des enfants âgés de 7 à 13 ans et le rôle de la myelinisation des fibres calleuses dans la maturation de l'activité visuelle. Nous avons combiné l'IRMf et la technique de MTI (Magnetization Transfer Imaging) afin de suivre les signes de maturation cérébrale respectivement sous l'aspect fonctionnel et morphologique (myelinisation). Chez lés enfants, les activations associées au processus d'intégration entre les hémi-champs visuels sont, comme chez l'adulte, localisées dans le réseau ventral mais se limitent à une zone plus restreinte. La forte corrélation que le signal BOLD montre avec la myelinisation des fibres du splenium est le signe de la dépendance entre la maturation des fonctions visuelles de haut niveau et celle des connections cortico-corticales. Abstract: Recent advances in non-invasive brain imaging allow the visualization of the different aspects of complex brain dynamics. The approaches based on a combination of imaging techniques facilitate the investigation and the link of multiple aspects of information processing. They are getting a leading tool for understanding the neural basis of various brain functions. Perception, motion, and cognition involve the formation of cooperative neuronal assemblies distributed over the cerebral cortex. In this research, we explore the characteristics of interhemispheric assemblies in the visual brain by taking advantage of the complementary characteristics provided by EEG (electroencephalography) and fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) techniques. These are the high temporal resolution for EEG and high spatial resolution for fMRI. In the first part of this thesis we investigate the response of the visual areas to the interhemispheric perceptual grouping task. We use EEG coherence as a measure of synchronization and BOLD (Blood Oxygenar tion Level Dependent) response as a measure of the related brain activation. The increase of the interhemispheric EEG coherence restricted to the occipital electrodes and to the EEG beta band and its linear relation to the BOLD responses in VP/V4 area points to a trans-hemispheric synchronous neuronal assembly involved in early perceptual grouping. This result encouraged us to explore the formation of synchronous trans-hemispheric networks induced by the stimuli of various spatial frequencies with this multimodal approach. We have found the involvement of ventral and medio-dorsal visual networks modulated by the spatial frequency content of the stimulus. Thus, based on the combination of EEG coherence and fMRI BOLD data, we have identified visual networks with different sensitivity to integrating low vs. high spatial frequencies. In the second part of this work we test the hypothesis that the increase of brain activity during perceptual grouping depends on the activity of callosal axons interconnecting the visual areas that are involved. To this end, in children of 7-13 years, we investigated functional (functional activation with fMRI) and morphological (myelination of the corpus callosum with Magnetization Transfer Imaging (MTI)) aspects of spatial integration. In children, the activation associated with the spatial integration across visual fields was localized in visual ventral stream and limited to a part of the area activated in adults. The strong correlation between individual BOLD responses in .this area and the myelination of the splenial system of fibers points to myelination as a significant factor in the development of the spatial integration ability.

Natural variation in learning ability in "Drosophila melanogaster"

Learning is the ability of an organism to adapt to the changes of its environment in response to its past experience. It is a widespread ability in the animal kingdom, but its evolutionary aspects are poorly known. Learning ability is supposedly advantageous under some conditions, when environmental conditions are not too stable - because in this case there is no need to learn to predict any event in the environment - and not changing too fast - otherwise environmental cues cannot be used because they are not reliable. Nevertheless, learning ability is also known to be costly in terms of energy needed for neuronal synthesis, memory formation, initial mistakes. During my PhD, I focused on the study of genetic variability of learning ability in natural populations. Genetic variability is the basis on which natural selection and genetic drift can act. How does learning ability vary in nature? What are the roles of additive genetic variation or maternal effects in this variation? Is it involved in evolutionary trade-offs with other fitness-related traits?¦I investigated a natural population of fruit fly, Drosophila melanogaster, as a model organism. Its learning ability is easy to measure with associative memory tests. I used two research tools: multiple inbred and isofemale lines derived from a natural population as a representative sample. My work was divided into three parts.¦First, I investigated the effects of inbreeding on aversive learning (avoidance of an odor previously associated with mechanical shock). While the inbred lines consistently showed reduced egg-to-adult viability by 28 %, the effects of inbreeding on learning performance was 18 % and varied among assays, with a trend to be most pronounced for intermediate conditioning intensity. Variation among inbred lines indicates that ample genetic variance for learning was segregating in the base population, and suggests that the inbreeding depression observed in learning performance was mostly due to dominance rather than overdominance. Across the inbred lines, learning performance was positively correlated with the egg-to-adult viability. This positive genetic correlation contradicts previous studies which observed a trade-off between learning ability and lifespan or larval competitive ability. It suggests that much of the genetic variation for learning is due to pleiotropic effects of genes affecting other functions related to survival. Together with the overall mild effects of inbreeding on learning performance, this suggests that genetic variation specifically affecting learning is either very low, or is due to alleles with mostly additive (semi-dominant) effects. It also suggests that alleles reducing learning performance are on average partially recessive, because their effect does not appear in the outbred base population. Moreover, overdominance seems unlikely as major cause of the inbreeding depression, because even if the overall mean of the inbred line is smaller than the outbred base population, some of the inbred lines show the same learning score as the outbred base population. If overdominance played an important part in inbreeding depression, then all the homozygous lines should show lower learning ability than¦outbred base population.¦In the second part of my project, I sampled the same natural population again and derived isofemale lines (F=0.25) which are less adapted to laboratory conditions and therefore are more representative of the variance of the natural population. They also showed some genetic variability for learning, and for three other fitness-related traits possibly related with learning: resistance to bacterial infection, egg-to-adult viability and developmental time. Nevertheless, the genetic variance of learning ability did not appear to be smaller than the variance of the other traits. The positive correlation previously observed between learning ability and egg- to-adult viability did not appear in isofemale lines (nor a negative correlation). It suggests that there was still genetic variability within isofemale lines and that they did not fix the highly deleterious pleiotropic alleles possibly responsible for the previous correlation.¦In order to investigate the relative amount of nuclear (additive and non-additive effects) and extra-nuclear (maternal and paternal effect) components of variance in learning ability and other fitness-related traits among the inbred lines tested in part one, I performed a diallel cross between them. The nuclear additive genetic variance was higher than other components for learning ability and survival to learning ability, but in contrast, maternal effects were more variable than other effects for developmental traits. This suggests that maternal effects, which reflects effects from mitochondrial DNA, epigenetic effects, or the amount of nutrients that are invested by the mother in the egg, are more important in the early stage of life, and less at the adult stage. There was no additive genetic correlation between learning ability and other traits, indicating that the correlation between learning ability and egg-to-adult viability observed in the first pat of my project was mostly due to recessive genes.¦Finally, my results showed that learning ability is genetically variable. The diallel experiment showed additive genetic variance was the most important component of the total variance. Moreover, every inbred or isofemale line showed some learning ability. This suggested that alleles impairing learning ability are eliminated by selection, and therefore that learning ability is under strong selection in natural populations of Drosophila. My results cannot alone explain the maintenance of the observed genetic variation. Even if I cannot eliminate the hypothesis of pleiotropy between learning ability and the other fitness-related traits I measured, there is no evidence for any trade-off between these traits and learning ability. This contradicts what has been observed between learning ability and other traits like lifespan and larval competitivity.¦L'apprentissage représente la capacité d'un organisme à s'adapter aux changement de son environnement au cours de sa vie, en réponse à son expérience passée. C'est une capacité très répandue dans le règne animal, y compris pour les animaux les plus petits et les plus simples, mais les aspects évolutifs de l'apprentissage sont encore mal connus. L'apprentissage est supposé avantageux dans certaines conditions, quand l'environnement n'est ni trop stable - dans ce cas, il n'y a rien à apprendre - ni trop variable - dans ce cas, les indices sur lesquels se reposer changent trop vite pour apprendre. D'un autre côté, l'apprentissage a aussi des coûts, en terme de synthèse neuronale, pour la formation de la mémoire, ou de coûts d'erreur initiale d'apprentissage. Pendant ma thèse, j'ai étudié la variabilité génétique naturelle des capacités d'apprentissage. Comment varient les capacités d'apprentissage dans la nature ? Quelle est la part de variation additive, l'impact des effets maternel ? Est-ce que l'apprentissage est impliqué dans des interactions, de type compromis évolutifs, avec d'autres traits liés à la fitness ?¦Afin de répondre à ces questions, je me suis intéressée à la mouche du vinaigre, ou drosophile, un organisme modèle. Ses capacités d'apprentissage sont facile à étudier avec un test de mémoire reposant sur l'association entre un choc mécanique et une odeur. Pour étudier ses capacités naturelles, j'ai dérivé de types de lignées d'une population naturelle: des lignées consanguines et des lignées isofemelles.¦Dans une première partie, je me suis intéressée aux effets de la consanguinité sur les capacités d'apprentissage, qui sont peu connues. Alors que les lignées consanguines ont montré une réduction de 28% de leur viabilité (proportion d'adultes émergeants d'un nombre d'oeufs donnés), leurs capacités d'apprentissage n'ont été réduites que de 18%, la plus forte diminution étant obtenue pour un conditionnement modéré. En outre, j'ai également observé que les capacités d'apprentissage était positivement corrélée à la viabilité entre les lignées. Cette corrélation est surprenante car elle est en contradiction avec les résultats obtenus par d'autres études, qui montrent l'existence de compromis évolutifs entre les capacités d'apprentissage et d'autres traits comme le vieillissement ou la compétitivité larvaire. Elle suggère que la variation génétique des capacités d'apprentissage est due aux effets pleiotropes de gènes récessifs affectant d'autres fonctions liées à la survie. Ces résultats indiquent que la variation pour les capacités d'apprentissage est réduite comparée à celle d'autres traits ou est due à des allèles principalement récessifs. L'hypothèse de superdominance semble peu vraisemblable, car certaines des lignées consanguines ont obtenu des scores d'apprentissage égaux à ceux de la population non consanguine, alors qu'en cas de superdominance, elles auraient toutes dû obtenir des scores inférieurs.¦Dans la deuxième partie de mon projet, j'ai mesuré les capacités d'apprentissage de lignées isofemelles issues de la même population initiale que les lignées consanguines. Ces lignées sont issues chacune d'un seul couple, ce qui leur donne un taux d'hétérozygosité supérieur et évite l'élimination de lignées par fixation d'allèles délétères rares. Elles sont ainsi plus représentatives de la variabilité naturelle. Leur variabilité génétique est significative pour les capacités d'apprentissage, et trois traits liés à la fois à la fitness et à l'apprentissage: la viabilité, la résistance à l'infection bactérienne et la vitesse de développement. Cependant, la variabilité des capacités d'apprentissage n'apparaît cette fois pas inférieure à celle des autres traits et aucune corrélation n'est constatée entre les capacité d'apprentissage et les autres traits. Ceci suggère que la corrélation observée auparavant était surtout due à la fixation d'allèles récessifs délétères également responsables de la dépression de consanguinité.¦Durant la troisième partie de mon projet, je me suis penchée sur la décomposition de la variance observée entre les lignées consanguines observée en partie 1. Quatre composants ont été examinés: la variance due à des effets nucléaires (additifs et non additifs), et due à des effets parentaux (maternels et paternels). J'ai réalisé un croisement diallèle de toutes les lignées. La variance additive nucléaire s'est révélée supérieure aux autres composants pour les capacités d'apprentissage et la résistance à l'infection bactérienne. Par contre, les effets maternels étaient plus importants que les autres composants pour les traits développementaux (viabilité et vitesse de développement). Ceci suggère que les effets maternels, dus à G ADN mitochondrial, à l'épistasie ou à la quantité de nutriments investis dans l'oeuf par la mère, sont plus importants dans les premiers stades de développement et que leur effet s'estompe à l'âge adulte. Il n'y a en revanche pas de corrélation statistiquement significative entre les effets additifs des capacités d'apprentissage et des autres traits, ce qui indique encore une fois que la corrélation observée entre les capacités d'apprentissage et la viabilité dans la première partie du projet était due à des effets d'allèles partiellement récessifs.¦Au, final, mes résultats montrent bien l'existence d'une variabilité génétique pour les capacités d'apprentissage, et l'expérience du diallèle montre que la variance additive de cette capacité est importante, ce qui permet une réponse à la sélection naturelle. Toutes les lignées, consanguines ou isofemelles, ont obtenu des scores d'apprentissage supérieurs à zéro. Ceci suggère que les allèles supprimant les capacités d'apprentissage sont fortement contre-sélectionnés dans la nature Néanmoins, mes résultats ne peuvent pas expliquer le maintien de cette variabilité génétique par eux-même. Même si l'hypothèse de pléiotropie entre les capacités d'apprentissage et l'un des traits liés à la fitness que j'ai mesuré ne peut être éliminée, il n'y a aucune preuve d'un compromis évolutif pouvant contribuer au maintien de la variabilité.

WNT Signaling in Drosophila Neuromuscular Junctions

The Wnt -Wingless (Wg) in Drosophila- signaling is an evolutionary conserved, fundamental signal transduction pathway in animals, having a crucial role in early developmental processes. In the adult animal the Wnt cascade is mainly shut off; aberrant activation leads to cancer. One physiological exception in the adult animal is the activation of Wnt signaling in the nervous system. In the present work, we investigated Wg signaling in the Drosophila neuromuscular junctions (NMJs). The fly NMJs closely resemble the glutamatergic synapses in the mammalian central nervous system and serves as a model system to investigate the mechanism of synapse formation and stability. We demonstrate that the trimeric G-protein Go has a fundamental role in the presynaptic cell in the NMJ. It is implicated in the presynaptic Wg pathway, acting downstream of the ligand Wg and its receptor Frizzled2 (Fz2). Furthermore, we prove that the presynaptic Wg-Fz2-Gαo pathway is essential for correct NMJ formation. The neuronal protein Ankyrin2 (Ank2) localizes to the NMJ and has so far been considered to be a static player in NMJ formation, linking the plasma membrane to the cytoskeleton. We identify Ank2 as a direct target of Gαo. The physical and genetic interaction of Gαo with Ank2 represents a novel branch of the presynaptic Wg pathway, regulating the microtubule cytoskeleton in NMJ formation, jointly with the previously established Futsch-dependent branch, which controls microtubule stability downstream of the kinase Sgg (the homolog of GSK3ß). We moreover demonstrate that the Gαo-Ankyrin interaction to regulate the cytoskeleton is conserved in mammalian neuronal cells. Our findings therefore provide a novel, universally valid regulation of the cytoskeleton in the nervous system. Aberrant inactivation of the neuronal Wnt pathway is believed to be involved in the pathogenesis of the Aß peptide in Alzheimer's disease (AD). We modeled AD in Drosophila by expressing Aß42 in the nervous system and in the eye. Neuronal expression drastically shortens the life span of the flies. We prove that this effect depends on the expression specifically in glutamatergic neurons. However, Aß42 does not induce any morphological changes in the NMJ; therefore this synapse is not suitable to study the mechanism of Aß42 induced neurotoxicity. We furthermore demonstrate that genetic activation of the Wnt pathway does not rescue the Aß42 induced phenotypes - in opposition to the dominating view in the field. These results advice caution when interpreting data on the potential interaction of Wnt signaling and AD in other models. -- La voie de signalisation Wnt (Wingless (Wg) chez la drosophile) est conservée dans l'évolution et fondamentale pour le développement des animaux. Cette signalisation est normalement inactive chez l'animal adulte; une activation anormale peut provoquer le cancer. Or, ceci n'est pas le cas dans le système nerveux des adultes. La présente thèse avait pour but d'analyser le rôle de la voie de signalisation Wingless dans la plaque motrice de Drosophila melanogaster. En effet, cette plaque ressemble fortement aux synapses glutaminergiques du système nerveux central des mammifères et procure ainsi un bon modèle pour l'étude des mécanismes impliqués dans la formation et la stabilisation des synapses. Nos résultats montrent que la protéine trimérique Go joue un rôle fondamental dans la fonction de la cellule présynaptique de la plaque motrice. Go est en effet impliqué dans la voie de signalisation Wg, opérant en aval du ligand Wg et de son récepteur Frizzled2. Nous avons pu démontrer que cette voie de signalisation Wg-Fz2-Gαo est essentielle pour le bon développement et le fonctionnement de la plaque motrice. Fait intéressant, nous avons montré que la protéine neuronale Ankyrin2 (Ank2), qui est connue pour jouer un rôle statique en liant la membrane plasmique au cytosquelette dans la plaque motrice, est une cible directe de Gαo. L'interaction physique et génétique entre Gαo et Ank2 constitue ainsi une bifurcation de la voie de signalisation présynaptique Wg. Cette voie régule le cytosquelette des microtubules en coopération avec la branche liée à la protéine Futsch. Cette protéine est l'homologue de la protéine liant les microtubules MAP1B des mammifères et contrôle la stabilité des microtubules opérant en aval de la kinase Sgg (l'homologue de GSK3ß). De plus, la régulation du cytosquelette par l'interaction entre Gαo et Ankyrin est conservée chez les mammifères. Dans leur ensemble, nos résultats ont permis d'identifier un nouveau mode de régulation du cytosquelette dans le système nerveux, probablement valable de manière universelle. La voie de signalisation Wnt est soupçonnée d'être impliquée dans la toxicité provoquée par le peptide Aß dans le cadre de la maladie d'Alzheimer. Nous avons tenté de modéliser la maladie chez la drosophile en exprimant Aß42 spécifiquement dans le cerveau. Cette expérience a montré que l'expression neuronale d'Aß42 réduit la durée de vie des mouches de manière significative par un mécanisme impliquant les cellules glutamatergiques. Par contre, aucune modification morphologique n'est provoquée par Aß42 dans les plaques motrices glutamatergiques. Ces résultats montrent que ce modèle de Drosophile n'est pas adéquat pour l'étude de la maladie d'Alzheimer. De plus, l'activation génétique de la voie de signalisation Wg n'a pas réussi à restaurer les phénotypes de survie ou ceux des yeux causés par Aß42. Ces résultats indiquent que l'implication de la voie de signalisation Wg dans la maladie d'Alzheimer doit être considérée avec prudence.

Association atypique d'une démence sémantique, d'un syndrome cortico-basal et d'une tauopathie 4R = [Atypical association of semantic dementia, corticobasal syndrome and 4R tauopathy]

Enjeu et contexte de la recherche La dégénérescence lobaire fronto-temporale (DLFT) est une pathologie neurodégénérative aussi fréquente que la maladie d'Alzheimer parmi les adultes de moins de 65 ans. Elle recouvre une constellation de syndromes neuropsychiatriques et moteurs dont les caractéristiques cliniques et anatomo-pathologiques se recoupent partiellement. La plupart des cas de démence sémantique ne présentent pas de troubles moteurs et révèlent à l'autopsie des lésions ubiquitine-positives. Son association à un syndrome cortico-basal et à une tauopathie 4R est donc très inhabituelle. Le cas que nous présentons est le premier à disposer d'une description clinique complète, tant sur le plan cognitif que moteur, et d'une analyse génétique et histopathologique. Résumé de l'article Il s'agit d'un homme de 57 ans, sans antécédents familiaux, présentant une démence sémantique accompagnée de symptômes inhabituels dans ce contexte, tels qu'une dysfonction exécutive et en mémoire épisodique, une désorientation spatiale et une dyscalculie. Le déclin physique et cognitif fut rapidement progressif. Une année et demie plus tard, il développait en effet des symptômes moteurs compatibles initialement avec un syndrome de Richardson, puis avec un syndrome cortico-basal. Son décès survint à l'âge de 60 ans des suites d'une pneumonie sur broncho-aspiration. L'autopsie cérébrale mit en évidence une perte neuronale et de nombreuses lésions tau-4R-positives dans les lobes frontaux, pariétaux et temporaux, les ganglions de la base et le tronc cérébral. Aucune mutation pathologique n'a été décelée dans le gène MAPT (microtubule-associated protein tau). L'ensemble de ces éléments sont discutés dans le cadre des connaissances actuelles sur la DLFT. Conclusions et perspectives Ce cas illustre le recoupement important des différents syndromes de la DLFT, parfois appelée le « complexe de Pick ». De plus, la démence sémantique pourrait s'avérer cliniquement moins homogène que prévu. Les définitions actuelles de la démence sémantique omettent la description des symptômes cognitifs extra-sémantiques malgré l'accumulation de preuves de leur existence. La faible prévalence de la démence sémantique, ainsi que des différences dans les examens neuropsychologiques, peuvent expliquer en partie la raison de cette omission. La variabilité histopathologique de chaque phénotype de DLFT peut également induire des différences dans leur expression clinique. Dans un domaine aussi mouvant que la DLFT, la co- occurrence ou la succession de plusieurs syndromes cliniques est en outre probablement la règle plutôt que l'exception.

Roles of transient guidepost neurons in corpus callosum formation and guidance

RESUMENeurones transitoires jouant un rôle de cibles intermédiaires dans le guidage des axones du corps calleuxLe guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones d'établir des connexions synaptiques et de s'intégrer dans un réseau neural fonctionnel de manière spécifique. Des cellules-cibles intermédiaires appelées « guidepost » aident les axones à parcourir de longues distances dans le cerveau en leur fournissant des informations directionnelles tout au long de leur trajet. Il a été démontré que des sous-populations de cellules gliales au niveau de la ligne médiane guident les axones du corps calleux (CC) d'un hémisphère vers l'autre. Bien qu'il fût observé que le CC en développement contenait aussi des neurones, leur rôle était resté jusqu'alors inconnu.La publication de nos résultats a montré que pendant le développement embryonnaire, le CC contient des glies mais aussi un nombre considérable de neurones glutamatergiques et GABAergiques, nécessaires à la formation du corps calleux (Niquille et al., PLoS Biology, 2009). Dans ce travail, j'ai utilisé des techniques de morphologie et d'imagerie confocale 3D pour définir le cadre neuro-anatomique de notre modèle. De plus, à l'aide de transplantations sur tranches in vitro, de co-explants, d'expression de siRNA dans des cultures de neurones primaires et d'analyse in vivo sur des souris knock-out, nous avons démontré que les neurones du CC guident les axones callosaux en partie grâce à l'action attractive du facteur de guidage Sema3C sur son récepteur Npn- 1.Récemment, nous avons étudié l'origine, les aspects dynamiques de ces processus, ainsi que les mécanismes moléculaires impliqués dans la mise en place de ce faisceau axonal (Niquille et al., soumis). Tout d'abord, nous avons précisé l'origine et l'identité des neurones guidepost GABAergiques du CC par une étude approfondie de traçage génétique in vivo. J'ai identifié, dans le CC, deux populations distinctes de neurones GABAergiques venant des éminences ganglionnaires médiane (MGE) et caudale (CGE). J'ai ensuite étudié plus en détail les interactions dynamiques entre neurones et axones du corps calleux par microscopie confocale en temps réel. Puis nous avons défini le rôle de chaque sous-population neuronale dans le guidage des axones callosaux et de manière intéressante les neurones GABAergic dérivés de la MGE comme ceux de la CGE se sont révélés avoir une action attractive pour les axones callosaux dans des expériences de transplantation. Enfin, nous avons clarifié la base moléculaire de ces mécanismes de guidage par FACS sorting associé à un large criblage génétique de molécules d'intérêt par une technique très sensible de RT-PCR et ensuite ces résultats ont été validés par hybridation in situ.Nous avons également étudié si les neurones guidepost du CC étaient impliqués dans son agénésie (absence de CC), présente dans nombreux syndromes congénitaux chez 1 humain. Le gène homéotique Aristaless (Arx) contrôle la migration des neurones GABAergiques et sa mutation conduit à de nombreuses pathologies humaines, notamment la lissencéphalie liée à IX avec organes génitaux anormaux (XLAG) et agénésie du CC. Fait intéressant, nous avons constaté qu'ARX est exprimé dans toutes les populations GABAergiques guidepost du CC et que les embryons mutant pour Arx présentent une perte drastique de ces neurones accompagnée de défauts de navigation des axones (Niquille et al., en préparation). En outre, nous avons découvert que les souris déficientes pour le facteur de transcription ciliogenic RFX3 souffrent d'une agénésie du CC associé avec des défauts de mise en place de la ligne médiane et une désorganisation secondaire des neurones glutamatergiques guidepost (Benadiba et al., submitted). Ceci suggère fortement l'implication potentielle des deux types de neurones guidepost dans l'agénésie du CC chez l'humain.Ainsi, mon travail de thèse révèle de nouvelles fonctions pour ces neurones transitoires dans le guidage axonal et apporte de nouvelles perspectives sur les rôles respectifs des cellules neuronales et gliales dans ce processus.ABSTRACTRole of transient guidepost neurons in corpus callosum development and guidanceAxonal guidance is a key step that allows neurons to build specific synaptic connections and to specifically integrate in a functional neural network. Intermediate targets or guidepost cells act as critical elements that help to guide axons through long distance in the brain and provide information all along their travel. Subpopulations of midline glial cells have been shown to guide corpus callosum (CC) axons to the contralateral cerebral hemisphere. While neuronal cells are also present in the developing corpus callosum, their role still remains elusive.Our published results 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 (Niquille et al., PLoS Biology, 2009). In this work, I have combined morphological and 3D confocal imaging techniques to define the neuro- anatomical frame of our system. Moreover, with the use of in vitro transplantations in slices, co- explant experiments, siRNA manipulations on primary neuronal culture and in vivo analysis of knock-out mice we have been able to demonstrate that CC neurons direct callosal axon outgrowth, in part through the attractive action of Sema3C on its Npn-1 receptor.Recently, we have studied the origin, the dynamic aspects of these processes as well as the molecular mechanisms involved in the establishment of this axonal tract (Niquille et al., submitted). First, we have clarified the origin and the identity of the CC GABAergic guidepost neurons using extensive in vivo cell fate-mapping experiments. We identified two distinct GABAergic neuronal subpopulations, originating from the medial (MGE) and caudal (CGE) ganglionic eminences. I then studied in more details the dynamic interactions between CC neurons and callosal axons by confocal time-lapse video microscopy and I have also further characterized the role of each guidepost neuronal subpopulation in callosal guidance. Interestingly, MGE- and CGE-derived GABAergic neurons are both attractive for callosal axons in transplantation experiments. Finally, we have dissected the molecular basis of these guidance mechanisms by using FACS sorting combined with an extensive genetic screen for molecules of interest by a sensitive RT-PCR technique, as well as, in situ hybridization.I have also investigated whether CC guidepost neurons are involved in agenesis of the CC which occurs in numerous human congenital syndromes. Aristaless-related homeobox gene (Arx) regulates GABAergic neuron migration and its mutation leads to numerous human pathologies including X-linked lissencephaly with abnormal genitalia (XLAG) and severe CC agenesis. Interestingly, I found that ARX is expressed in all the guidepost GABAergic neuronal populations of the CC and that Arx-/- embryos exhibit a drastic loss of CC GABAergic interneurons accompanied by callosal axon navigation defects (Niquille et al, in preparation). In addition, we discovered that mice deficient for the ciliogenic transcription factor RFX3 suffer from CC agenesis associated with early midline patterning defects and a secondary disorganisation of guidepost glutamatergic neurons (Benadiba et al., submitted). This strongly points out the potential implication of both types of guidepost neurons in human CC agenesis.Taken together, my thesis work reveals novel functions for transient neurons in axonal guidance and brings new perspectives on the respective roles of neuronal and glial cells in these processes.

The neuronal monocarboxylate transporter MCT2: its regulation by BDNF and its role in learning and memory

Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain physiological and pathological conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood-brain barrier or out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal isoform and little is known about the regulation of its expression. Noradrenaline (NA), insulin and IGF-1 were previously shown to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here we demonstrate that the well known brain neurotrophic factor BDNF enhances MCT2 protein expression in cultured cortical neurons and in synaptoneurosome preparations in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. We observed that BDNF induced MCT2 expression by activation of MAPK as well as PI3K/Akt/mTOR signaling pathways. Furthermore, we investigated the possible post-transcriptional regulation of MCT2 expression by a neuronal miRNA. Then, we demonstrated that BDNF enhanced MCT2 expression in the hippocampus in vivo, in parallel with some post-synaptic proteins such as PSD95 and AMPA receptor GluR2/3 subunits, and two immediate early genes Arc and Zif268 known to be expressed in conditions related to synaptic plasticity. In the last part, we demonstrated in vivo that a downregulation of hippocampal MCT2 via silencing with an appropriate lentiviral vector in mice caused an impairment of working memory without reference memory deficit. In conclusion, these results suggest that regulation of neuronal monocarboxylate transporter MCT2 expression could be a key event in the context of synaptic plasticity, allowing an adequate energy substrate supply in situations of altered synaptic efficacy. - Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergéiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famillle de transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que la noradrénaline, l'insuline et l'IGF-1 induisent l'expression de MCT2 dans des cultures de neurones corticaux par un mécanisme traductionnel. Dans cette étude nous démontrons dans un premier temps que le facteur neurotrophique BDNF augmente l'expression de MCT2 à la fois dans des cultures de neurones corticaux et dans les préparations synaptoneurosomales selon un décours temporel et une gamme de concentrations propre. Aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Nous avons observé que le BDNF induisait l'expression de MCT2 par l'activation simultanée des voies de signalisation MAPK et PI3K/Akt/mTOR. De plus, nous nous sommes intéressés à une potentielle régulation par les micro-ARNs de la synthèse de MCT2. Ensuite, nous avons démontré que le BDNF induit aussi l'expression de MCT2 dans l'hippocampe de la souris en parallèle avec d'autres protéines post-synaptiques telles que PSD95 et GluR2/3 et avec deux « immediate early genes » tels que Arc et Zif268 connus pour être exprimés dans des conditions de plasticité synaptique. Dans un dernier temps, nous avons démontré qu'une diminution d'expression de MCT2 induite par le biais d'un siRNA exprimé via un vecteur lentiviral dans l'hippocampe de souris générait des déficits de mémoire de travail sans affecter la mémoire de référence. En conclusion, ces résultats nous suggèrent que le transporteur aux monocarboxylates neuronal MCT2 serait essentiel pour l'apport énergétique du lactate pour les neurones dans des conditions de haute activité neuronale comme c'est le cas pendant les processus de plasticité synaptique.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain

La douleur neuropathique est une forme de douleur chronique apparaissant suite à des lésions du système nerveux somato-sensoriel. Caractérisée par une plasticité neuronale inadapté, elle est très souvent intense, invalidante, associe des symptômes comme l'allodynie ou l' hyperalgésie et reste difficile à traiter avec les agents thérapeutiques actuels. Le thème de mon travail de thèse se concentre sur des mécanismes moléculaires de modulation des canaux sodiques voltage-dépendants suite à une lésion du nerf périphérique. Dans l'article présenté en annexe, j'ai focalisé mon travail sur une protéine, Nedd4-2, qui est une ligase ubiquitine. Elle a pour rôle de réguler et d'internaliser dans la cellule des protéines membranaires dont les canaux sodiques. Suite aux lésions du système nerveux périphérique, il existe une hyperexcitabilité neuronale engendrée notamment par un surplus et une dysrégulation des canaux sodiques à la membrane cellulaire. Dans 1 'hypothèse que l'ubiquitine ligase Nedd4-2 soit présente dans les neurones sensitifs primaires et ait un rôle dans la régulation des canaux sodiques, nous avons identifié cette protéine dans les neurones nociceptifs primaires du rat. En utilisant des techniques de Western Blot et d'immunohistochimie, j'ai trouvé que Nedd4-2 est présente dans presque 50% des neurones du ganglion spinal et ces neurones sont principalement des neurones nociceptifs. Dans un modèle expérimental de douleur neuropathique (SN I, pour spared nerve injury), Nedd4-2 se retrouve significativement diminuée dans le tissu du ganglion spinal. J'ai également investigué 1' expression de 2 isoformes des canaux sodiques connues pour leur implication dans la douleur, Navl.7 et Navl.8, et ces 2 isoformes se retrouvent dans les mêmes neurones que Nedd4-2. La caractérisation détaillée est décrite dans le manuscrit: «Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain; Cachemaille M, Laedermann CJ, Pertin M, Abriel H, Gasselin RD, Decosterd 1.» Les résultats obtenus indiquent que Nedd4-2, en étant downrégulé après une lésion nerveuse, pourrait ainsi contribuer à une augmentation des canaux sodiques fonctionnels à la membrane. Ainsi Nedd4-2 pourrait être proposée comme cible thérapeutique de manière alternative aux bloqueurs de canaux sodiques. Ce travail a permis l'initiation d'autres expériences. J'ai contribué activement à la construction de vecteurs viraux type adéno-associé recombinant (rAA V2/6) et surexprimé la protéine in vivo dans les ganglions spinaux. Cette partie de mon travail se trouve intégrée dans d'autres travaux de mon laboratoire d'accueil qui a pu démontrer les effets fonctionnels de cette approche sur les courants sodiques enregistrés par électrophysiologie et une diminution de la douleur neuropathique chez la souris. - Abstract-Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltagegated sodium channels (VGSCs), which gives rise toallodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC a-subunits (Nav), in particular Nav1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Nav1.7 and Nav1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in shamoperated animals, seven days after SNI and 48 h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7± 2.7% and 55.0 ±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Nav1.7 and Nav1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9± 1.9% to 33.5± 0.7% (p < 0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%± 0.13% of its basal level (p <0.01, n = 4 animals in each group, mean± SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Navs involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.