Neuroprotection in cerebral ischemia with XG-102, a new peptide inhibitor of JNK

Abstract Stroke or cerebrovascular accident, whose great majority is of ischemic nature, is the third leading cause of mortality and long lasting disability in industrialised countries. Resulting from the loss of blood supply to the brain depriving cerebral tissues of oxygen and glucose, it induces irreversible neuronal damages. Despite the large amount of research carried out into the causes and pathogenic features of cerebral ischemia the progress toward effective treatments has been poor. Apart the clot-busting drug tissue-type plasminogen activator (tPA) as effective therapy for acute stroke (reperfusion by thrombolysis) but limited to a low percentage of patients, there are currently no other approved medical treatments. The need for new therapy strategies is therefore imperative. Neuronal death in cerebral ischemia is among others due to excitotoxic mechanisms very early after stroke onset. One of the main involved molecular pathways leading to excitotoxic cell death is the c-Jun NH2-terminal kinase (JNK) pathway. Several studies have already shown the efficacy of a neuroprotective agent of a new type, a dextrogyre peptide synthesized in the retro inverso form (XG102, formerly D-JNKI1), which is protease-resistant and cell-penetrating and that selectively and strongly blocks the access of JNK to many of its targets. A powerful protection was observed with this compound in several models of ischemia (Borsello et al. 2003;Hirt et al. 2004). This chimeric compound, made up of a 10 amino acid TAT transporter sequence followed by a 20 amino acids JNK binding domain (JBD) sequence from JNK inhibitor protein (JIP) molecule, induced both a major reduction in lesion size and improved functional outcome. Moreover it presents a wide therapeutic window. XG-102 has proved its powerful efficacy in an occlusion model of middle cerebral artery in mice with intracérebroventricular (i.c.v.) injection but in order to be able to consider the development of this drug for human ischemic stroke it was therefore necessary to determine the feasibility of its systemic administration. The studies being the subject of this thesis made it possible to show a successful neuroprotection with XG-102 administered systemically after transient mouse middle cerebral artery occlusion (MCAo). Moreover our data. provided information about the feasibility to combine XG-102 with tPA without detrimental action on cell survival. By combining the benefits from a reperfusion treatment with the effects of a neuroprotective compound, it would represent the advantage of bringing better chances to protect the cerebral tissue. Résumé L'attaque cérébrale ou accident vasculaire cérébral, dont la grande majorité est de nature ischémique, constitue la troisième cause de mortalité et d'infirmité dans les pays industrialisés. Résultant de la perte d'approvisionnement de sang au cerveau privant les tissus cérébraux d'oxygène et de glucose, elle induit des dommages neuronaux irréversibles. En dépit du nombre élevé de recherches effectuées pour caractériser les mécanismes pathogènes de l'ischémie. cérébrale, les progrès vers des traitements efficaces restent pauvres. Excepté l'activateur tissulaire du plasminogène (tPA) dont le rôle est de désagréger les caillots sanguins et employé comme thérapie efficace contre l'attaque cérébrale aiguë (reperfusion par thrombolyse) mais limité à un faible pourcentage de patients, il n'y a actuellement aucun autre traitement médical approuvé. Le besoin de nouvelles stratégies thérapeutiques est par conséquent impératif. La mort neuronale dans l'ischémie cérébrale est entre autres due à des mécanismes excitotoxiques survenant rapidement après le début de l'attaque cérébrale. Une des principales voies moléculaires impliquée conduisant à la mort excitotoxique des cellules est la voie de la c-Jun NH2terminal kinase (JNK). Plusieurs études ont déjà montré l'efficacité d'un agent neuroprotecteur d'un nouveau type, un peptide dextrogyre synthétisé sous la forme retro inverso (XG-102, précédemment D-JNKI1) résistant aux protéases, capable de pénétrer dans les cellules et de bloquer sélectivement et fortement l'accès de JNK à plusieurs de ses cibles. Une puissante protection a été observée avec ce composé dans plusieurs modèles d'ischémie (Borsello et al. 2003;Hirt et al. 2004). Ce composé chimérique, construit à partir d'une séquence TAT de 10 acides aminés suivie par une séquence de 20 acides aminés d'un domaine liant JNK (JBD) issu de la molécule JNK protéine inhibitrice. (JIP), induit à la fois une réduction importante de la taille de lésion et un comportement fonctionnel amélioré. De plus il présente une fenêtre thérapeutique étendue. XG-102 a prouvé sa puissante efficacité dans un modèle d'occlusion de l'artère cérébrale moyenne chez la souris avec injection intracerebroventriculaire (i.c.v.) mais afin de pouvoir envisager le développement de ce composé pour l'attaque cérébrale chez l'homme, il était donc nécessaire de déterminer la faisabilité de son administration systémique. Les études faisant l'objet de cette thèse ont permis de montrer une neuroprotection importante avec XG-102 administré de façon systémique après l'occlusion transitoire de l'artère cérébrale moyenne chez la souris (MCAo). De plus nos données ont fourni des informations quant à la faisabilité de combiner XG-102 et tPA, démontrant une protection efficace par XG-102 malgré l'action nuisible du tPA sur la survie des cellules. En combinant les bénéfices de la reperfusion avec les effets d'un composé neurooprotecteur, cela représenterait l'avantage d'apporter des meilleures chances de protéger le tissu cérébral.

Plasma and cerebrospinal fluid population pharmacokinetics of temozolomide in malignant glioma patients

RESUME : Objectif: Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur cérébrale maligne la plus agressive qui conduit au décès de la majorité des patients moins d'une année après le diagnostic. La plupart des agents chimiothérapeutiques actuellement disponibles ne traversent pas la barrière hémato¬encéphalique et ne peuvent par conséquent pas être utilisés pour ce type de tumeur. Le Temozolomide (TMZ) est un nouvel agent alkylant récemment développé pour le traitement des gliomes malins. A ce jour, très peu d'informations sont disponibles sur la pénétration intra-cérébrale de cet agent. Au cours d'une étude pilote de phase II menée auprès de 64 patients atteints de GBM, l'administration précoce de TMZ combinée à une radiothérapie standard (RT) afin d'intervenir au plus tôt dans l'évolution de la maladie, a permis de prolonger la survie de ces patients, résultat qui pu être confirmé par la suite lors de l'étude randomisée de phase III. L'objectif de cette étude a été de déterminer les paramètres pharmacocinétique du TMZ dans le plasma et le liquide céphalo-rachidien (LCR), d'évaluer l'influence de certains facteurs individuels (âge, sexe, surface corporelle, fonction rénale/hépatique, co-médications, RT concomitante) sur ces différents paramètres, et enfin d'explorer la relation existant entre l'exposition au TMZ et certains marqueurs cliniques d'efficacité et de toxicité. Matériel et Méthode: Les concentrations de TMZ ont été mesurées par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) dans le plasma et le LCR de 35 patients atteints de GBM nouvellement diagnostiqués (étude pilote) ou de gliomes malins en récidive (étude récidive). L'analyse pharmacocinétique de population a été réalisée à l'aide du programme NONMEM. L'exposition systémique et cérébrale, définie par les AUC (Area Under the time-concentration Curve) dans le plasma et le LCR, a été estimée pour chaque patient et corrélée à la toxicité, la survie ainsi que la survie sans progression tumorale. Résultats: Un modèle à 1 compartiment avec une cinétique d'absorption et de transfert Kplasma -> LCR de ordre a été retenu afin de décrire le profil pharmacocinétique du TMZ. Les valeurs moyennes de population ont été de 10 L/h pour la clairance, de 30.3 L pour le volume de distribution, de 2.1 h pour la 1/2 vie d'élimination, de 5.78 hE-1 pour la constante d'absorption, de 7.2 10E4 hE-1 pour Kplasma->LCR et de 0.76 hE-1 pour KLCR plasma. La surface corporelle a montré une influence significative sur la clairance et le volume de distribution, alors que le sexe influence la clairance uniquement. L'AUC mesurée dans le LCR représente ~20% de celle du plasma et une augmentation de 15% de Kplasma->LCR a été observée lors du traitement concomitant de radiochimiothérapie. Conclusions: Cette étude est la première analyse pharmacocinétique effectuée chez l'homme permettant de quantifier la pénétration intra-cérébrale du TMZ. Le rapport AUC LCR/AUC Plasma a été de 20%. Le degré d'exposition systémique et cérébral au TMZ ne semble pas être un meilleur facteur prédictif de la survie ou de la tolérance au produit que ne l'est la dose cumulée seule. ABSTRACT Purpose: Scarce information is available on the brain penetration of temozolomide (TMZ), although this novel methylating agent is mainly used for the treatment of ma¬lignant brain tumors. The purpose was to assess TNIZ phar¬macokinetics in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) along with its inter-individual variability, to characterize covari¬ates and to explore relationships between systemic or cere¬bral drug exposure and clinical outcomes. Experimental Design: TMZ levels were measured by high-performance liquid chromatography in plasma and CSF samples from 35 patients with newly diagnosed or recurrent malignant gliomas. The population pharmacoki¬netic analysis was performed with nonlinear mixed-effect modeling software. Drug exposure, defined by the area un¬der the concentration-time curve (AUC) in plasma and CSF, was estimated for each patient and correlated with toxicity, survival, and progression-free survival. Results: A three-compartment model with first-order absorption and transfer rates between plasma and CSF described the data appropriately. Oral clearance was 10 liter/h; volume of distribution (VD), 30.3 liters; absorption constant rate, 5.8 hE-1; elimination half-time, 2.1 h; transfer rate from plasma to CSF (Kplasma->CSF), 7.2 x 10E-4hE-1 and the backwards rate, 0.76hE-1. Body surface area signifi¬cantly influenced both clearance and VD, and clearance was sex dependent. The AU CSF corresponded to 20% of the AUCplasma. A trend toward an increased K plasma->CSF of 15% was observed in case of concomitant radiochemo-therapy. No significant correlations between AUC in plasma or CSF and toxicity, survival, or progression-free survival were apparent after deduction of dose-effect. Conclusions: This is the first human pharmacokinetic study on TMZ to quantify CSF penetration. The AUC CSF/ AUC plasma ratio was 20%. Systemic or cerebral exposures are not better predictors than the cumulative dose alone for both efficacy and safety.

Distinct neuronal circuits underlying the bahavioral and physiological components of the fear response

Abstract : Expression of fear involves changes in a number of behavioral and physiological parameters that are triggered by the central amygdala (CeA). The fear circuit also includes a series of brain stem nuclei that are the final effectors of the changes induced by the fear reaction. The CeA expresses many different neuropeptide receptors that can modulate fear responses. Today, the precise organization and the modulation of projections from the amygdala to the brain stem are still poorly understood. The aim of this project was to better understand the organization and the modulation of the fear circuit. To investigate this we first determined whether the CeA is composed of separate neuronal populations, where each one projects to specific brain stem nuclei, or whether single CeA neurons project to several nuclei. For this purpose, we first selected two brain stem nuclei implicated in the modulation of different components of the fear reactions, the periaqueductal gray (implicated in freezing) and the nucleus of solitary tract (implicated in heart rate modulation). We then performed double injections of two different retrograde tracers in these two nuclei and we quantified the subsequent presence of co-labelling in the CeA. We found that neurons projecting to the PAG and to the NTS are organized in separate populations. Subsequent electrophysiological recordings of the two populations revealed that PAG and NTS projecting neurons also have different electrophysiological characteristics. We then verified in vitro whether the neurons projecting to different brain stem nuclei express specific combinations of neuropeptide receptors, and whether a neuropeptide acting pre-synaptically (oxytocin) specifically modulates one of these two projections. We did not find differences at the level of expression of neurópeptide receptors, but we observed that oxytocin, a neuropeptide with anxiolytic properties, modulates PAG projecting neurons without affecting NTS projecting neurons. As oxytocin appeared to specifically modulate projections to the PAG, involved in the modulation of the freezing reaction, but did not affect the projections to the NTS, implicated in the modulation of cardiovascular parameters, we verified how this modulation translates in living animals. We investigated the effects of infra-amygdala injection of oxytocin on cardiovascular and behavioral changes induced by contextual fear conditioning. We found that oxytocin decreased the freezing response without affecting the cardiovascular system. Finally, as neuropeptides are considered potential future anxiolytics, we investigated whether diazepam and oxytocin, acting on the same circuit, had additive effects. This question was addressed exclusively with an in vitro electrophysiological approach. We obtained that oxytocin and diazepam, when co-applied, had an additive effect on both synaptic transmission and neuronal activity. These results open new perspectives for the possible clinical applications of oxytocin. Résumé : L'expression de la peur est accompagnée par de nombreux changements physiologiques et comportementaux qui sont déclenchés par l'amygdale centrale (CeA). Le circuit inclue aussi une série de noyaux du tronc cérébrale qui sont les effecteurs des différentes composantes de la réaction de peur. On sait que CeA envoie des projections aux noyaux du tronc cérébral et que ces neurones expriment une grande variété de récepteurs aux neuropeptides. Par contre, l'organisation des projections, ainsi que la modulation de ces projections par les neuropeptides reste encore peu connue. Avec ce projet, on premièrement voulu déterminer si CeA est composée de populations neuronales séparées qui projettent vers un noyau spécifique, ou bien si chaque neurones envoie des projections vers plusieurs noyaux. A ce propos, on a effectué des doubles injections de deux traceurs rétrogrades différentes dans deux noyaux du tronc cérébral impliqués dans des différentes composantes des réactions de peur. On a injecté la substance grise périaqueducale (PAG), qui est impliquée dans la réponse d'immobilisation, ainsi que le noyau du tractus solitaire (NTS) qui est responsable des changements cardiovasculaires. On a ensuite quantifié la présence de neurones contenant les deux traceurs dans CeA. On a trouvé que la plupart des neurones de l'amygdale centrale projettent vers un noyau spécifique, et on peut donc dire que l'amygdale semble être composée de populations neuronales séparées. On a ensuite mesuré les caractéristiques électrophysiologiques de ces deux projections et on a trouvé des différences substantielles concernant la résistance membranaire, la capacitance, le potentiel membranaire de repos ainsi que la fréquence des potentiels d'action spontanés. Puis, comme beaucoup de neuropéptides dans l'amygdale exercent un effet modulatoire sûr les réactions de peur et sur l'anxiété, on a étudié les effets directs et indirects d'une série de neuropeptides sur les différentes projections pour évaluer s'il y a des neuropeptides qui agissent spécifiquement sur une. On n'a pas trouvé de différences entre neurones qui projettent vers le PAG et neurones qui projettent vers le NTS concernant les effets de neuropeptides qui agissent directement sur ces cellules. Par contre, on a trouvé que l'ocytocine, un neuropeptide qui se lie à des récepteurs dans la partie latérale de l'amygdale centrale et inhibe de façon indirecte les neurones de l'amygdala centrale médiale, module les projections vers le PAG sans affecter celles qui vont vers le NTS. Comme le PAG est impliqué dans la réponse d'immobilisation, alors que le NTS est impliqué dans la modulation cardiovasculaire, on a ensuite étudié les effets de l'ocytocine injectée dans l'amygdale de rat vivants sur les réactions de peur conditionnées. On a trouvé que l'ocytocine diminue la réponse d'immobilisation sans par contre affecter la réponse cardiovasculaire. Pour terminer, on a vérifié si l'ocytocine potentialise les effets d'un médicament anxiolytique, le diazeparn. Avec une étude in vitro on a trouvé qu'une co-application d'ocytocine et diazeparn résulte en un effet additionnel à la fois sur la transmission synaptique ainsi que sur l'activité neuronale des neurones de l'amygdale centrale médiale. Ces résultats ouvrent des nouvelles perspectives pour une potentielle utilisation clinique de l'ocytocine.

Decoding decisions in healthy subjects and auditory discrimination in comatose patients through single-trial topographic EEG analyses

Neuroimaging studies analyzing neurophysiological signals are typically based on comparing averages of peri-stimulus epochs across experimental conditions. This approach can however be problematic in the case of high-level cognitive tasks, where response variability across trials is expected to be high and in cases where subjects cannot be considered part of a group. The main goal of this thesis has been to address this issue by developing a novel approach for analyzing electroencephalography (EEG) responses at the single-trial level. This approach takes advantage of the spatial distribution of the electric field on the scalp (topography) and exploits repetitions across trials for quantifying the degree of discrimination between experimental conditions through a classification scheme. In the first part of this thesis, I developed and validated this new method (Tzovara et al., 2012a,b). Its general applicability was demonstrated with three separate datasets, two in the visual modality and one in the auditory. This development allowed then to target two new lines of research, one in basic and one in clinical neuroscience, which represent the second and third part of this thesis respectively. For the second part of this thesis (Tzovara et al., 2012c), I employed the developed method for assessing the timing of exploratory decision-making. Using single-trial topographic EEG activity during presentation of a choice's payoff, I could predict the subjects' subsequent decisions. This prediction was due to a topographic difference which appeared on average at ~516ms after the presentation of payoff and was subject-specific. These results exploit for the first time the temporal correlates of individual subjects' decisions and additionally show that the underlying neural generators start differentiating their responses already ~880ms before the button press. Finally, in the third part of this project, I focused on a clinical study with the goal of assessing the degree of intact neural functions in comatose patients. Auditory EEG responses were assessed through a classical mismatch negativity paradigm, during the very early phase of coma, which is currently under-investigated. By taking advantage of the decoding method developed in the first part of the thesis, I could quantify the degree of auditory discrimination at the single patient level (Tzovara et al., in press). Our results showed for the first time that even patients who do not survive the coma can discriminate sounds at the neural level, during the first hours after coma onset. Importantly, an improvement in auditory discrimination during the first 48hours of coma was predictive of awakening and survival, with 100% positive predictive value. - L'analyse des signaux électrophysiologiques en neuroimagerie se base typiquement sur la comparaison des réponses neurophysiologiques à différentes conditions expérimentales qui sont moyennées après plusieurs répétitions d'une tâche. Pourtant, cette approche peut être problématique dans le cas des fonctions cognitives de haut niveau, où la variabilité des réponses entre les essais peut être très élevéeou dans le cas où des sujets individuels ne peuvent pas être considérés comme partie d'un groupe. Le but principal de cette thèse est d'investiguer cette problématique en développant une nouvelle approche pour l'analyse des réponses d'électroencephalographie (EEG) au niveau de chaque essai. Cette approche se base sur la modélisation de la distribution du champ électrique sur le crâne (topographie) et profite des répétitions parmi les essais afin de quantifier, à l'aide d'un schéma de classification, le degré de discrimination entre des conditions expérimentales. Dans la première partie de cette thèse, j'ai développé et validé cette nouvelle méthode (Tzovara et al., 2012a,b). Son applicabilité générale a été démontrée avec trois ensembles de données, deux dans le domaine visuel et un dans l'auditif. Ce développement a permis de cibler deux nouvelles lignes de recherche, la première dans le domaine des neurosciences cognitives et l'autre dans le domaine des neurosciences cliniques, représentant respectivement la deuxième et troisième partie de ce projet. En particulier, pour la partie cognitive, j'ai appliqué cette méthode pour évaluer l'information temporelle de la prise des décisions (Tzovara et al., 2012c). En se basant sur l'activité topographique de l'EEG au niveau de chaque essai pendant la présentation de la récompense liée à un choix, on a pu prédire les décisions suivantes des sujets (en termes d'exploration/exploitation). Cette prédiction s'appuie sur une différence topographique qui apparaît en moyenne ~516ms après la présentation de la récompense. Ces résultats exploitent pour la première fois, les corrélés temporels des décisions au niveau de chaque sujet séparément et montrent que les générateurs neuronaux de ces décisions commencent à différentier leurs réponses déjà depuis ~880ms avant que les sujets appuient sur le bouton. Finalement, pour la dernière partie de ce projet, je me suis focalisée sur une étude Clinique afin d'évaluer le degré des fonctions neuronales intactes chez les patients comateux. Des réponses EEG auditives ont été examinées avec un paradigme classique de mismatch negativity, pendant la phase précoce du coma qui est actuellement sous-investiguée. En utilisant la méthode de décodage développée dans la première partie de la thèse, j'ai pu quantifier le degré de discrimination auditive au niveau de chaque patient (Tzovara et al., in press). Nos résultats montrent pour la première fois que même des patients comateux qui ne vont pas survivre peuvent discriminer des sons au niveau neuronal, lors de la phase aigue du coma. De plus, une amélioration dans la discrimination auditive pendant les premières 48heures du coma a été observée seulement chez des patients qui se sont réveillés par la suite (100% de valeur prédictive pour un réveil).

Contribution of genome-wide significant single-nucleotide polymorphisms and antiretroviral therapy to dyslipidemia in HIV-infected individuals : a longitudinal study

Rapport de synthèse :Les individus HIV-positifs constituent une population à risque pour les maladies cardiovasculaires telles que |'infarctus cardiaque ou cérébrale. Celles-ci découlent d'une formation accélérée d'athéroscIérose. Ces pathologies s'expliquent en grande partie par une dyslipidémie observée au sein de cette population et qui sont dues à des facteurs externes tels que : l'immunosuppression avancée, la virémie non-contrôlée, et les effets de la thérapie antirétrovirale. Récemment, des polymorphismes nucléotidiques simples (SNP) associés à la dyslipidémie ont été mis en évidence d'une manière globale par des Genome-Wide Association Studies (GWAS). Le but principal de cette étude est d'éva|uer et de valider |'effet cumulatif des SNP identifiés dans ces GWAS pour la dyslipidémie chez des patients HIV-positifs. De plus, |'identification des facteurs non-génétiques qui contribuent à la dyslipidémie démontrent |'importance des facteurs externes, tels que mentionnés ci- dessus, et en particulier à ceux de la thérapie antirétrovirale.Les participants de l'étude proviennent de trois groupes: 426 personnes sélectionnées pour une étude précédente, 222 personnes sélectionnées de façon arbitraire dans la "Cohorte HIV Suisse" et 103 personnes sélectionnées avec un "New-Onset Diabetes mellitus" identifiées lors d'études précédentes. Ces individus ont contribué à plus de 34'000 mesures de lipides sur une durée moyenne supérieure à 7 ans. Pour l'étude, 33 SNP identifiés dans des GWAS et 9 SNP identifiés dans d'autres études publiées dans la littérature non-couverte par des GWAS ont été repris. Le génotypage a été complété pour 745 (99.2%) des 751 participants. Pour les analyses statistiques, les thérapies antirétrovirales ont été divisées en trois groupes (favorisant peu, moyennement et fortement la dyslipidémie), et trois scores génétiques ont été créés (profil favorable, moyennement favorable, non favorable/favorisant la dyslipidémie). Dans un premier temps, l'effet sur la valeur des lipides d'un ou deux allèles variants a été analysé au moyen d'un modèle de régression pour chaque SNP en ajustant le modèle pour les variables non- génétiques. Dans un deuxième temps, les SNP ayant une valeur p >= à 0.2 ont été repris dans un model Multi-SNP, ce modèle est également ajusté pour les variables non-génétiques. Puisque cette étude se base sur des SNP précédemment identifiés, celle-ci évalue uniquement l'association établie entre chaque SNP et les critères qui ont été établis au préalable, tels que : Cholestérol totale, HDL Cholestérol, non-HDL Cholestérol ou Triglycérides. Les résultats trouvés lors de |'étude confirment les résultats de la littérature. Cette étude montre que les SNP associés à la dyslipidémie doivent être analysés dans le contexte d'une thérapie antirétrovirale en tenant compte de la démographie et en considérant les valeurs du HIV (CD4+, virémie). Ces SNP montrent une tendance à prédire une dyslipidémie prolongée chez l'individu. En effet, un patient avec une thérapie antirétrovirale favorisant la dyslipidémie et un patrimoine génétique non-favorable a un risque qui est 3-f0is plus important d'avoir un Non-HDL- Cholestérol élevé, 5-fois plus important d'avoir un HDL-Cholestérol abaissé, et 4 à 5-fois plus important d'avoir une hypertriglycéridémie qu'un patient qui suit une thérapie antirétrovirale favorisant peu la dyslipidémie qui a un patrimoine génétique favorable. Vu la corrélation entre les SNP et la thérapie antirétrovirale, les cliniciens devraient intégrer les informations génétiques afin de choisir une thérapie antirétrovirale en fonction du patrimoine génétique.

Langage et cerveau : vingt ans d'imagerie fonctionnelle [Language and the brain: 20 years of functional imagery]

La masse considérable de travaux publiés dans le domaine de la neuroimagerie fonctionnelle concernant les fonctions ou modalités du langage (compréhension et expression de la parole, lecture) ou les différents processus linguistiques qui les sous-tendent (sémantique, phonologie, syntaxe) permet de dégager de grandes tendances en termes de substrats anatomiques. Si les « fondamentaux » issus des origines aphasiologiques du domaine n'ont pas été bouleversés, certaines spécificités non explorées par l'approche lésionnelle sont identifiables. Les méta-analyses, en regroupant les résultats de la littérature, nous procurent aujourd'hui une vision globale des substrats cérébraux du langage. Cependant la variabilité inter-individuelle reste importante en raison de multiples facteurs dont certains sont mal identifiés ; cartographier exhaustivement les fonctions du langage à l'échelle individuelle reste une gageure. La quête des images du langage est sans doute aussi inachevable que celle de l'étude du langage lui-même.

Visual functions in the healthy and schizophrenic brain : from stimulus control to illusory perceptions using electrical neuroimaging

ABSTRACT (FRENCH)Ce travail de thèse basé sur le système visuel chez les sujets sains et chez les patients schizophrènes, s'articule autour de trois articles scientifiques publiés ou en cours de publication. Ces articles traitent des sujets suivants : le premier article présente une nouvelle méthode de traitement des composantes physiques des stimuli (luminance et fréquence spatiale). Le second article montre, à l'aide d'analyses de données EEG, un déficit de la voie magnocellulaire dans le traitement visuel des illusions chez les patients schizophrènes. Ceci est démontré par l'absence de modulation de la composante PI chez les patients schizophrènes contrairement aux sujets sains. Cette absence est induite par des stimuli de type illusion Kanizsa de différentes excentricités. Finalement, le troisième article, également à l'aide de méthodes de neuroimagerie électrique (EEG), montre que le traitement des contours illusoires se trouve dans le complexe latéro-occipital (LOC), à l'aide d'illusion « misaligned gratings ». De plus il révèle que les activités démontrées précédemment dans les aires visuelles primaires sont dues à des inférences « top- down ».Afin de permettre la compréhension de ces trois articles, l'introduction de ce manuscrit présente les concepts essentiels. De plus des méthodes d'analyses de temps-fréquence sont présentées. L'introduction est divisée en quatre parties : la première présente le système visuel depuis les cellules retino-corticales aux deux voix du traitement de l'information en passant par les régions composant le système visuel. La deuxième partie présente la schizophrénie par son diagnostic, ces déficits de bas niveau de traitement des stimuli visuel et ces déficits cognitifs. La troisième partie présente le traitement des contours illusoires et les trois modèles utilisés dans le dernier article. Finalement, les méthodes de traitement des données EEG seront explicitées, y compris les méthodes de temps-fréquences.Les résultats des trois articles sont présentés dans le chapitre éponyme (du même nom). De plus ce chapitre comprendra les résultats obtenus à l'aide des méthodes de temps-fréquenceFinalement, la discussion sera orientée selon trois axes : les méthodes de temps-fréquence ainsi qu'une proposition de traitement de ces données par une méthode statistique indépendante de la référence. La discussion du premier article en montrera la qualité du traitement de ces stimuli. La discussion des deux articles neurophysiologiques, proposera de nouvelles d'expériences afin d'affiner les résultats actuels sur les déficits des schizophrènes. Ceci pourrait permettre d'établir un marqueur biologique fiable de la schizophrénie.ABSTRACT (ENGLISH)This thesis focuses on the visual system in healthy subjects and schizophrenic patients. To address this research, advanced methods of analysis of electroencephalographic (EEG) data were used and developed. This manuscript is comprised of three scientific articles. The first article showed a novel method to control the physical features of visual stimuli (luminance and spatial frequencies). The second article showed, using electrical neuroimaging of EEG, a deficit in spatial processing associated with the dorsal pathway in chronic schizophrenic patients. This deficit was elicited by an absent modulation of the PI component in terms of response strength and topography as well as source estimations. This deficit was orthogonal to the preserved ability to process Kanizsa-type illusory contours. Finally, the third article resolved ongoing debates concerning the neural mechanism mediating illusory contour sensitivity by using electrical neuroimaging to show that the first differentiation of illusory contour presence vs. absence is localized within the lateral occipital complex. This effect was subsequent to modulations due to the orientation of misaligned grating stimuli. Collectively, these results support a model where effects in V1/V2 are mediated by "top-down" modulation from the LOC.To understand these three articles, the Introduction of this thesis presents the major concepts used in these articles. Additionally, a section is devoted to time-frequency analysis methods not presented in the articles themselves. The introduction is divided in four parts. The first part presents three aspects of the visual system: cellular, regional, and its functional interactions. The second part presents an overview of schizophrenia and its sensoiy-cognitive deficits. The third part presents an overview of illusory contour processing and the three models examined in the third article. Finally, advanced analysis methods for EEG are presented, including time- frequency methodology.The Introduction is followed by a synopsis of the main results in the articles as well as those obtained from the time-frequency analyses.Finally, the Discussion chapter is divided along three axes. The first axis discusses the time frequency analysis and proposes a novel statistical approach that is independent of the reference. The second axis contextualizes the first article and discusses the quality of the stimulus control and direction for further improvements. Finally, both neurophysiologic articles are contextualized by proposing future experiments and hypotheses that may serve to improve our understanding of schizophrenia on the one hand and visual functions more generally.

Effect of hypoxia on cerebral blood flow regulation during rest and exercise : role of cerebral oxygen delivery on performance

Adequate supply of oxygen to the brain is critical for maintaining normal brain function. Severe hypoxia, such as that experienced during high altitude ascent, presents a unique challenge to brain oxygen (O2) supply. During high-intensity exercise, hyperventilation-induced hypocapnia leads to cerebral vasoconstriction, followed by reductions in cerebral blood flow (CBF), oxygen delivery (DO2), and tissue oxygenation. This reduced O2 supply to the brain could potentially account for the reduced performance typically observed during exercise in severe hypoxic conditions. The aims of this thesis were to document the effect of acute and chronic exposure to hypoxia on CBF control, and to determine the role of cerebral DO2 and tissue oxygenation in limiting performance during exercise in severe hypoxia. We assessed CBF, arterial O2 content (CaO2), haemoglobin concentration ([Hb]), partial pressure of arterial O2 (PaO2), cerebrovascular CO2 reactivity, ventilatory response to CO2, cerebral autoregulation (CA), and estimated cerebral DO2 (CBF ⨉ CaO2) at sea level (SL), upon ascent to 5,260 m (ALT1), and following 16 days of acclimatisation to 5,260 m (ALT16). We found an increase in CBF despite an elevated cerebrovascular CO2 reactivity at ALT1, which coincided with a reduced CA. Meanwhile, PaO2 was greatly decreased despite increased ventilatory drive at ALT1, resulting in a concomitant decrease in CaO2. At ALT16, CBF decreased towards SL values, while cerebrovascular CO2 reactivity and ventilatory drive were further elevated. Acclimatisation increased PaO2, [Hb], and therefore CaO2 at ALT16, but these changes did not improve CA compared to ALT1. No differences were observed in cerebral DO2 across SL, ALT1, and ALT16. Our findings demonstrate that cerebral DO2 is maintained during both acute and chronic exposure to 5,260 m, due to the reciprocal changes in CBF and CaO2. We measured middle cerebral artery velocity (MCAv: index of CBF), cerebral DO2, ventilation (VE), and performance during incremental cycling to exhaustion and 15km time trial cycling in both normoxia and severe hypoxia (11% O2, normobaric), with and without added CO2 to the inspirate (CO2 breathing). We found MCAv was higher during exercise in severe hypoxia compared in normoxia, while cerebral tissue oxygenation and DO2 were reduced. CO2 breathing was effective in preventing the development of hyperventilation-induced hypocapnia during intense exercise in both normoxia and hypoxia. As a result, we were able to increase both MCAv and cerebral DO2 during exercise in hypoxia with our CO2 breathing setup. However, we concomitantly increased VE and PaO2 (and presumably respiratory work) due to the increased hypercapnic stimuli with CO2 breathing, which subsequently contributed to the cerebral DO2 increase during hypoxic exercise. While we effectively restored cerebral DO2 during exercise in hypoxia to normoxic values with CO2 breathing, we did not observe any improvement in cerebral tissue oxygenation or exercise performance. Accordingly, our findings do not support the role of reduced cerebral DO2 in limiting exercise performance in severe hypoxia. -- Un apport adéquat en oxygène au niveau du cerveau est primordial pour le maintien des fonctions cérébrales normales. L'hypoxie sévère, telle qu'expérimentée au cours d'ascensions en haute altitude, présente un défi unique pour l'apport cérébral en oxygène (O2). Lors d'exercices à haute intensité, l'hypocapnie induite par l'hyperventilation entraîne une vasoconstriction cérébrale suivie par une réduction du flux sanguin cérébral (CBF), de l'apport en oxygène (DO2), ainsi que de l'oxygénation tissulaire. Cette réduction de l'apport en O2 au cerveau pourrait potentiellement être responsable de la diminution de performance observée au cours d'exercices en condition d'hypoxie sévère. Les buts de cette thèse étaient de documenter l'effet de l'exposition aiguë et chronique à l'hypoxie sur le contrôle du CBF, ainsi que de déterminer le rôle du DO2 cérébral et de l'oxygénation tissulaire comme facteurs limitant la performance lors d'exercices en hypoxie sévère. Nous avons mesuré CBF, le contenu artériel en oxygène (CaO2), la concentration en hémoglobine ([Hb]), la pression partielle artérielle en O2 (PaO2), la réactivité cérébrovasculaire au CO2, la réponse ventilatoire au CO2, et l'autorégulation cérébrale sanguine (CA), et estimé DO2 cérébral (CBF x CaO2), au niveau de la mer (SL), au premier jour à 5.260 m (ALT1) et après seize jours d'acclimatation à 5.260 m (ALT16). Nous avons trouvé des augmentations du CBF et de la réactivité cérébrovasculaire au CO2 après une ascension à 5.260 m. Ces augmentations coïncidaient avec une réduction de l'autorégulation cérébrale. Simultanément, la PaO2 était grandement réduite, malgré l'augmentation de la ventilation (VE), résultant en une diminution de la CaO2. Après seize jours d'acclimatation à 5.260 m, le CBF revenait autour des valeurs observées au niveau de la mer, alors que la réactivité cérébrovasculaire au CO2 et la VE augmentaient par rapport à ALT1. L'acclimatation augmentait la PaO2, la concentration en hémoglobine, et donc la CaO2, mais n'améliorait pas l'autorégulation cérébrale, comparé à ALT1. Aucune différence n'était observée au niveau du DO2 cérébral entre SL, ALT1 et ALT16. Nos résultats montrent que le DO2 cérébral est maintenu constant lors d'expositions aiguë et chronique à 5.260m, ce qui s'explique par la réciprocité des variations du CBF et de la CaO2. Nous avons mesuré la vitesse d'écoulement du sang dans l'artère cérébrale moyenne (MCAv : un indice du CBF), le DO2 cérébral, la VE et la performance lors d'exercice incrémentaux jusqu'à épuisement sur cycloergomètre, ainsi que des contre-la-montres de 15 km en normoxie et en hypoxie sévère (11% O2, normobarique) ; avec ajout ou non de CO2 dans le mélange gazeux inspiré. Nous avons trouvé que MCAv était plus haute pendant l'exercice hypoxique, comparé à la normoxie alors que le DO2 cérébral était réduit. L'ajout de CO2 dans le gaz inspiré était efficace pour prévenir l'hypocapnie induite par l'hyperventilation, qui se développe à l'exercice intense, à la fois en normoxie et en hypoxie. Nous avons pu augmenter MCAv et le DO2 cérébral pendant l'exercice hypoxique, grâce à l'ajout de CO2. Cependant, nous avons augmenté la VE et la PaO2 (et probablement le travail respiratoire) à cause de l'augmentation du stimulus hypercapnique. Alors que nous avons, grâce à l'ajout de CO2, efficacement restauré le DO2 cérébral au cours de l'exercice en hypoxie à des valeurs obtenues en normoxie, nous n'avons observé aucune amélioration dans l'oxygénation du tissu cérébral ou de la performance. En conséquence, nos résultats ne soutiennent pas le rôle d'un DO2 cérébral réduit comme facteur limitant de la performance en hypoxie sévère.

Cerebral extracellular lactate increase is predominantly non ischemic in patients with severe traumatic brain injury

Le cerveau est l'organe avec les besoins en énergie les plus élevés du corps humain, et le glucose est un substrat énergétique cérébral essentiel. Ces dernières décennies, la compréhension de la neuroénergétique a beaucoup évolué et un rôle du lactate comme substrat énergétique important a été mis en évidence, notamment suite à l'introduction du modèle de l'ANLS (astrocyte-neuron lactate shuttle). Selon celui-ci, les astrocytes convertissent le glucose en lactate par réaction de glycolyse, puis il est transporté jusqu'aux neurones qui l'utilisent comme source d'énergie à travers le cycle de Krebs. Chez l'homme, divers travaux récents ont montré que le lactate peut servir de « carburant » cérébral chez le sujet sain, après effort intense ou chez le patient diabétique. La régulation métabolique et le rôle du lactate après lésion cérébrale aiguë sont encore peu connus. Présentation de l'article Le but de ce travail a été d'étudier le métabolisme cérébral du lactate chez les patients atteints de traumatisme crânien (TCC) sévère. Nous avons émis l'hypothèse que l'augmentation du lactate cérébral chez ces patients n'était pas associée de manière prédominante à une hypoxie ou une ischémie mais plutôt à une glycolyse aérobie, et également à une perfusion cérébrale normale. L'étude a porté sur une cohorte prospective de 24 patients avec TCC sévère admis au service de médecine intensive du CHUV (centre hospitalier universitaire vaudois), monitorés par un système combinant microdialyse cérébrale (outil permettant de mesurer divers métabolites cérébraux, tels que le lactate, le pyruvate et le glucose), mesure de la pression cérébrale en oxygène et de la pression intracrânienne. Cet outil nous a permis de déterminer si l'élévation du lactate était principalement associée à une glycolyse active ou plutôt à une hypoxie. L'utilisation du CTde perfusion a permis d'évaluer la relation entre les deux patterns d'élévation du lactate (glycolytique ou hypoxique) et la perfusion cérébrale globale. Nos résultats ont montré que l'augmentation du lactate cérébral chez les patients avec TCC sévère était associée de manière prédominante à une glycolyse aérobie plutôt qu'à une hypoxie/ischémie. D'autre part, nous avons pu confirmer que les épisodes de lactate glycolytique étaient toujours associés à une perfusion cérébrale normale ou augmentée, alors que les épisodes de lactate hypoxique étaient associés à une hypoperfusion cérébrale. Conclusions et perspectives Nos résultats, qui ont permis de mieux comprendre le métabolisme cérébral du lactate chez les patients avec TCC sévère, soutiennent le concept que le lactate est produit dans des conditions aérobes et pourrait donc être utilisé comme source d'énergie par le cerveau lésé pour subvenir à des besoins augmentas. Etant donné que la dysfonction énergétique est une des probables causes de perte neuronale après traumatisme crânien, ces résultats ouvrent des perspectives thérapeutiques nouvelles après agression cérébrale chez l'homme, visant à tester un potentiel effet neuroprotecteur via l'administration de lactate exogène.

Jeune dans sa tête. Une histoire critique du cerveau adolescent

Les recherches visant à élucider les bases neurales de l'adolescence ont émergé au cours des années 1990 pour s'imposer cette dernière décennie. Il est aujourd'hui accepté dans le champ des neurosciences cognitives et du développement que le cerveau continue à se développer après la 10eme année de vie et qu'il atteint un stade de maturation similaire à l'adulte seulement vers 25 ans. La configuration structurelle et fonctionnelle du cerveau spécifique à la période de l'adolescence impliquerait un manque de contrôle émotionnel, favorisant des comportements dits de prise de risques qui à la fois permettent l'acquisition de l'indépendance et provoquent des situations de mise en danger du jeune individu et de son entourage. Ses mêmes comportements, dans leur acception négative - consommation d'alcool et de stupéfiants, conduite en état d'ivresse, rapports sexuels non-protégés, port d'arme, etc. - mobilisent les politiques de prévention et de santé publique relatives à l'adolescence et à la jeunesse. Cette thèse qui retrace l'histoire du cerveau adolescent de la fin des années 1950 à nos jours se situe à l'intersection de ces deux thèmes d'intérêt scientifique et public. A partir d'une perspective d'histoire culturelle et sociale des sciences, elle approche les éléments expérimentaux, institutionnels et contextuels qui ont contribué à la construction d'une adolescence définie par son immaturité cérébrale, associée à des comportements dits à risque. Plus précisément, elle met en évidence, sous l'angle privilégié du genre, selon quelles modalités et quelles temporalités l'histoire des recherches scientifiques sur le développement cérébral humain à l'adolescence et celle du façonnage d'un type d'adolescent-e impulsif/ve et preneur/euse de risques - c'est-à-dire potentiellement délinquant, dépendant, invalide ou malade chronique, constitué en problème de politique et de santé publique - sont amenées à converger. L'argument développé est que le genre et le sexe sont des catégories actives dans la construction d'un cerveau adolescent idéalement unisexe. En d'autres termes, bien que le cerveau adolescent qualifie des individus en regard de leur âge, sans distinction apparente de sexe et de genre, les conditions de sa production et les critères de sa définition sont constitutivement genrés, notamment par des comportements à risque qui concernent une majorité de garçons. Il s'agit d'analyser comment du sexe et du genre peuvent produire de l'âge, a priori unisexe, et d'interroger les enjeux scientifiques, sociaux et politiques qui participent de cette invisibilisation des catégories de sexe et de genre. Le but est de considérer la manière dont l'adolescence cérébrale reconfigure la gestion des questions liées à l'adolescence et à la jeunesse, en termes de problèmes sanitaires et de délinquance, mais aussi en termes de reproduction des normes sociales, de ce qu'implique devenir un homme ou une femme.

Syndromes cliniquement isolés dans l'accident vasculaire cérébral

Chaque année, près de 14000 personnes sont victimes d'un accident vasculaire cérébral (AVC) en Suisse (1). Parmi elles, 3000-4000 individus décèdent des suites de leur attaque et environ 2000 personnes survivent avec des séquelles qui peuvent être relativement importantes. Cette affection a donc un poids non négligeable en terme de morbidité et de mortalité ; dans les pays indistrualisés, elle représente la première cause de handicap, la deuxième cause de démence ainsi que la troisième cause de mortalité. Il existe deux types d'AVC : les accidents ischémiques et les accidents hémorragiques (2,3). Dans environ 80% des cas, les AVC sont des accidents ischémiques, résultant d'une occlusion artérielle ou veineuse - les ischémies sur occlusion veineuse étant rares en comparaison de celles sur occulsion artérielle. En outre, on parle d'accident ischémiques transitoires (AIT) lorsque les symptomes sont spontanément résolutifs en moins de 24 heures. Les accidents hémorragiques, quant à eux, ne constituent qu'une minorité des AVC (20%) et sont secondaires à une rupture de vaisseau. La physiopathologie des différents types d'AVC a été particulièrement bien étudiée, ce qui a permis de mettre en évidence un certain nombre de causes. Un AVC peut donc être d'origine cardiaque (embole à point de départ cardiaque, fibrillation auriculaire), d'origine athéromateuse (embole sur plaque d'athéromatose des vaisseaux pré-cérébraux) ou encore, la conséquence directe d'une hypertension artérielle (maladie des petits vaisseaux, hémorragies intracérébrales) (3). Il existe également des causes un peu moins fréquentes, telles que les dissections aortiques, les ruptures d'anévrisme, les malformations artério-veineuses, les états pro-coagulants, les vasculites, la prise de toxiques. De nombreux facteurs de risque ont été mis en évidence (3). Certains d'entre eux, tels que l'âge, le sexe ou l'éthnie, ne sont pas modifiables. Mais il en est d'autres sur lesquels il est possible d'avoir un impact positif et leur identification fait donc partie intégrante du bilan de base chez les patients victimes d'AVC. Il s'agit de l'hypertension artérielle, du diabète, du tabagisme actif et de l'hypercholestérolémie. La présentation clinique de l'AVC est fonction du territoire vasculaire touché (3). Historiquement, la localisation et la compréhension des fonctions cérébrales ont été le fruit de corrélations anatomo-clinique puis radiologico-clinique (2). Dans la majorité des cas, on étudiait la partie commune à toutes les lésions de différents patients présentant un symptôme, et cette partie était présumée responsable de cette fonction. Néanmoins, le patient pouvait présenter d'autres symptômes associés, ce qui peut représenter un certain biais. A l'heure actuelle, l'imagerie fonctionnelle remplace progressivement ces corrélations radiologico- cliniques (2). Finalement, des études de cas isolés, avec lésions relativement circonscrites, ont également contribués à la compréhension des fonctions cérébrales (4-12). Le but principal de cette étude est d'analyser les syndromes cliniquement isolées (CIS, atteinte d'une fonction cérébrale, d'un segment corporel) dans le registre lausannois des accidents vasculaires cérébraux en terme de facteurs de risques, et de caractéristiques de l'AVC (origine, localisation) afin de déterminer des facteurs indépendants de survenue de telles atteintes, d'un point de vue général et pour chacune d'entre elles.

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 la recherche de symptômes de désorientation dépendant d'un déficit d'intégration multisensorielle chez l'animal : un éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la schizophrénie

Abstract Fundamental research in psychiatric neurosciences assumes that psychiatric disorders are associated with neurobiological factors. Identification of these factors would provide therapeutic targets as well as a better understanding of the relationship between- brain and behaviour in pathological processes. We conducted experiments in an animal model of schizophrenia. Several behavioural tasks were used to evaluate spatial and working memory in these animals. The model is based on glutathione deficit during cerebral development. Indeed, a 50% decrease of glutathione has been reported in prefrontal cortex of patients with schizophrenia. Glutathione is a major antioxidant in the brain and its deficit could lead to abnormal brain connectivity. The glutathione deficit was induced in rats by perinatal (PS-P16) subcutaneous injections with Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), an inhibitor of glutathione synthesis. This treatment leads to a transitory 50% glutathione levels during brain development. In parallel, we conducted behavioural testing in rats with a medial prefrontal cortex lesion. This allowed us to compare early damage induced by BSO treatment with a focal lesion in adults of a brain area known to present anomalies in schizophrenia. Finally, we conducted a series of experiments in senescent rats to evaluate if cognitive deficits could be related to neurobiological changes. Our results show that an early glutathione deficit provokes cognitive deficits in adulthood. These spatial and working memory deficits resemble the cognitive deficits observed in schizophrenia. The comparison with prefrontal rats revealed that the early brain glutathione deficit provoked more severe cognitive deficits than the prefrontal lesion in adult rats. Moreover, in both cases, we observed a dissociation in memory deficits depending on the type of locomotion that was used in behavioural experiments. Indeed, BSO treated rats as well as prefrontal rats showed place learning or working memory deficits in tasks conducted on dry surfaces where they had to walk. In contrast, they showed no deficit when the same cognitive functions were tested in the water maze. This dissociation might be sustained by a difference in requirement of sensory integration between walking and swimming tasks. Résumé La recherche fondamentale en neurosciences psychiatriques repose sur le présupposé selon lequel les symptômes manifestés dans les troubles psychiatriques auraient des concomitants neurobiologiques. Ceux-ci, une fois identifiés, offriraient des cibles pour une démarche thérapeutique ainsi que des modèles permettant de mieux comprendre les soubassements biologiques du comportement et des activités mentales. Nos expériences s'articulent autour de la question de la modélisation de la schizophrénie chez l'animal. Nous avons recherché chez ces animaux des troubles cognitifs et sensoriels associés à la schizophrénie. En effet, chez l'homme comme chez l'animal, la mémoire spatiale et la mémoire de travail dépendent fortement de la capacité d'intégration et d'organisation des informations sensorielles. Les premières expériences ont été menées suite à une perturbation périnatale du développement cérébral. Celle-ci visait à reproduire une diminution du taux de glutathion dans le cerveau, des recherches précédentes ayant observé une diminution de 50% du taux de glutathion dans le cortex préfrontal de patients schizophrènes. Le glutathion étant un antioxydant majeur dans le cerveau, son déficit pourrait conduire à des perturbations de la circuiterie cérébrale. Nous avons reproduit ce déficit chez le rat, par injection de Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), un inhibiteur de la synthèse du glutathion... Ce traitement a été administré pendant la période périnatale (du jour postnatal 5 au jour 16) provoquant une diminution de 50% du taux de glutathion. Nous avons ensuite évalué lës répercussions de cette atteinte précoce sur le comportement des rats à l'âge adulte. Ce modèle s'inscrit donc dans l'hypothèse neurodéveloppementale qui associe la schizophrénie à une atteinte du développement cérébral normal. Nous avons ensuite conduit des expériences similaires chez des rats ayant subi une lésion du cortex préfrontal pour comparer les répercussions du traitement périnatal avec une lésion, à l'âge adulte, d'une aire cérébrale connue pour présenter des anomalies chez les patients. Finalement, nous avons évalué si les processus sensoriels et cognitifs précédemment étudiés pouvaient également être affectés lors du vieillissement normal en recherchant des corrélats biologiques des déficits de mémoire liés à l'âge avancé. Nos résultats montrent que ce déficit précoce en glutathion peut avoir des répercussions surale comportement à l'âge adulte. On a relevé une similarité avec les déficits cognitifs associés.à la schizophrénie, incluant des déficits de mémoire de travail ainsi que des déficits de mémoire spatiale. Ces déficits étaient fortement liés au type de locomotion utilisée et n'ont été observés que dans les tâches où les animaux devaient rejoindre un but en marchant mais pas dans lés tests dans lesquels ils devaient localiser une cible en nageant. Les déficits induits par la lésion préfrontale chez l'adulte étaient beaucoup plus légers que ceux découlant de l'atteinte périnatale mais présentaient une dissociation analogue en fonction du type de locomotion. De plus, des tests similaires menés au cours du vieillissement confirment que la mémoire de travail peut être affectée sélectivement par le vieillissement dans une tâche où les animaux doivent marcher, tout en restant intacte dans le bassin de Morris. Les déficits cognitifs liés au vieillissement étaient significativement corrélés à des différences de niveaux des protéines post-synaptiques PSD95 (postsynaptic density 95). L'ensemble des résultats montre que les tests qui sont fréquemment utilisés pour évaluer la mémoire chez l'animal pourraient faire appel à des processus différents. Cette différence pourrait notamment tenir au niveau d'intégration sensorielle requis pour résoudre la tâche, qui est particulièrement sollicitée au cours d'une locomotion intermittente.

Gene expression profiling of human glioblastomas for the identification of predictive factors and characterisation of molecular mechanism implicated in response to therapy and outcome

ABSTRACT Poor outcome for glioblastoma patients is largely due to resistance to chemoradiation therapy. While epigenetic inactivation of MGMT mediated DNA repair is highly predictive for benefit from the alkylating agent therapy Temozolomide, additional mechanisms for resistance associated with molecular alterations exist. Furthermore, new concepts in cancer suggest that resistance to treatment may be linked to cancer stem cells that escape therapy and act as source for tumour recurrence. We determined gene expression signatures associated with outcome in glioblastoma patients enrolled in a phase II and phase III clinical trial establishing the new combination therapy of radiation plus concomitant and adjuvant Temozolomide. Correlating stable gene clusters emerging from unsupervised analysis with survival of 42 treated patients identified a number of biological processes associated with outcome. Most prominent, a gene cluster dominated by HOX genes and comprising PROM1, was associated with resistance. PROM1 encodes CD133, a marker for a subpopulation of tumour cells enriched for glioblastoma stem- like cells. The core of this correlated HOX cluster was comprised in the top genes of a "self-renewal signature" defined in a mouse model for MLL-AF9 initiated leukaemia. The association of the HOX gene cluster with tumour resistance was confirmed in two external data sets of 146 malignant glioma As additional resistance factors we identified over-expression of the epidermal growth factor receptor gene, EGFR, while increased gene expression related to biological features of tumour host interaction, including markers for tumour vascular and cell adhesion, and innate immune response, were associated with better outcome. The "self-renewal" signature associated with resistance to the new combination chemoradiation therapy provides first clinical evidence that glioma stem like cells may implicated in resistance in a uniformly treated cohort of glioblastoma patients. This study underlines the need to target the tumour stem cell compartment, and provides some testable hypothesis for biological mechanisms relevant for malignant behaviour of glioblastoma that may be targeted in new treatment approaches. Résumé Le glioblastome, tumeur cérébrale primaire maligne la plus fréquente, est connue pour son mauvais pronostique. Des avancées chimiothérapeutiques récentes avec des agents alkylants comme le témozolomide (TMZ), ont permis une amélioration notable dans la survie de certains patients. Les bénéficiaires ont la caractéristique commune de présenter une particularité génétique, la methylation du MGMT (methylguanine methyltransferase). Néanmoins, d'autres mécanismes de résistance en fonction des aberrations moléculaires existent. Nous avons établi les profils d'expressions génétiques des patients traités par irradiation et TMZ dans des études cliniques de phase II et III. En combinant des méthodes non-supervisées et supervisées, de l'étude de la cohorte des patients traités nous avons découvert des groupes de gènes associés à la survie. Un ensemble de gènes contenant les gènes Hox semble lié au mécanisme de résistance au traitement. Récemment, les gènes Hox ont été décrits comme faisant partie d"une signature d'autorenouvellement (self-renewal) des cellules souches cancéreuses de la leucémie. L'autorenouvellement est un processus grâce auquel les cellules souches se maintiennent tout au long de la vie. Cette association à la résistance est confirmée dans deux autres études indépendantes. Un autre facteur de résistance au traitement est la surexpression du gène EGFR. D'autre part, deux groupes de gènes associés à la relation entre hôte-tumeur tels que les marqueurs des vaisseaux tumoraux et de la réponse immunitaire innée s'avèrent avoir un effet positif sur la survie des patients traités. La découverte de la signature d'autorenouvellement comme facteur de résistance à la nouvelle chimio-radiothérapie offre une preuve clinique que les cellules souches cancéreuses sont impliquées dans la résistance au traitement. If est donc logique de penser que le traitement ciblé contre des cellules souches cancéreuses va dans l'avenir permettre des thérapies anticancéreuses plus performantes.

Acquisitions thérapeutiques 2003: Neurologie

Cet article présente les principales acquisitions thérapeutiques 2003 dans le domaine de la neurologie. L'accent est mis sur les implications pour la pratique clinique quotidienne, avec des recommandations basées autant que possible sur des preuves (evidence-based). Dans les maladies cérébrovasculaires et dans les démences, les résultats de plusieurs études randomisées suggèrent qu'il faut parfois traiter les patients avec des antihypertenseurs et des hypolipémiants, même s'ils ne sont ni hypertendus ni hypercholestérolémiques. L'acquisition principale dans le domaine de la sclérose en plaques est l'homologation de la mitoxantrone au printemps dernier, pour les formes graves de la maladie. Des progrès ont été réalisés dans le traitement de certaines formes de dystrophies musculaires, et des méta-analyses ont permis de clarifier l'efficacité des traitements dans les polyradiculoneuropathies inflammatoires. L'évolution de la prise en charge des mouvements anormaux est marquée par l'essor de la stimulation cérébrale profonde.