Dynamics of the recruitment of lateral amygdala neurons following successive fear learning to different conditional stimuli

In fear conditioning, an animal learns to associate an unconditioned stimulus (US), such as a shock, and a conditioned stimulus (CS), such as a tone, so that the presentation of the CS alone can trigger conditioned responses. Recent research on the lateral amygdala has shown that following cued fear conditioning, only a subset of higher-excitable neurons are recruited in the memory trace. Their selective deletion after fear conditioning results in a selective erasure of the fearful memory. I hypothesize that the recruitment of highly excitable neurons depends on responsiveness to stimuli, intrinsic excitability and local connectivity. In addition, I hypothesize that neurons recruited for an initial memory also participate in subsequent memories, and that changes in neuronal excitability affect secondary fear learning. To address these hypotheses, I will show that A) a rat can learn to associate two successive short-term fearful memories; B) neuronal populations in the LA are competitively recruited in the memory traces depending on individual neuronal advantages, as well as advantages granted by the local network. By performing two successive cued fear conditioning experiments, I found that rats were able to learn and extinguish the two successive short-term memories, when tested 1 hour after learning for each memory. These rats were equipped with a system of stable extracellular recordings that I developed, which allowed to monitor neuronal activity during fear learning. 233 individual putative pyramidal neurons could modulate their firing rate in response to the conditioned tone (conditioned neurons) and/or non- conditioned tones (generalizing neurons). Out of these recorded putative pyramidal neurons 86 (37%) neurons were conditioned to one or both tones. More precisely, one population of neurons encoded for a shared memory while another group of neurons likely encoded the memories' new features. Notably, in spite of a successful behavioral extinction, the firing rate of those conditioned neurons in response to the conditioned tone remained unchanged throughout memory testing. Furthermore, by analyzing the pre-conditioning characteristics of the conditioned neurons, I determined that it was possible to predict neuronal recruitment based on three factors: 1) initial sensitivity to auditory inputs, with tone-sensitive neurons being more easily recruited than tone- insensitive neurons; 2) baseline excitability levels, with more highly excitable neurons being more likely to become conditioned; and 3) the number of afferent connections received from local neurons, with neurons destined to become conditioned receiving more connections than non-conditioned neurons. - En conditionnement de la peur, un animal apprend à associer un stimulus inconditionnel (SI), tel un choc électrique, et un stimulus conditionné (SC), comme un son, de sorte que la présentation du SC seul suffit pour déclencher des réflexes conditionnés. Des recherches récentes sur l'amygdale latérale (AL) ont montré que, suite au conditionnement à la peur, seul un sous-ensemble de neurones plus excitables sont recrutés pour constituer la trace mnésique. Pour apprendre à associer deux sons au même SI, je fais l'hypothèse que les neurones entrent en compétition afin d'être sélectionnés lors du recrutement pour coder la trace mnésique. Ce recrutement dépendrait d'un part à une activation facilité des neurones ainsi qu'une activation facilité de réseaux de neurones locaux. En outre, je fais l'hypothèse que l'activation de ces réseaux de l'AL, en soi, est suffisante pour induire une mémoire effrayante. Pour répondre à ces hypothèses, je vais montrer que A) selon un processus de mémoire à court terme, un rat peut apprendre à associer deux mémoires effrayantes apprises successivement; B) des populations neuronales dans l'AL sont compétitivement recrutées dans les traces mnésiques en fonction des avantages neuronaux individuels, ainsi que les avantages consentis par le réseau local. En effectuant deux expériences successives de conditionnement à la peur, des rats étaient capables d'apprendre, ainsi que de subir un processus d'extinction, pour les deux souvenirs effrayants. La mesure de l'efficacité du conditionnement à la peur a été effectuée 1 heure après l'apprentissage pour chaque souvenir. Ces rats ont été équipés d'un système d'enregistrements extracellulaires stables que j'ai développé, ce qui a permis de suivre l'activité neuronale pendant l'apprentissage de la peur. 233 neurones pyramidaux individuels pouvaient moduler leur taux d'activité en réponse au son conditionné (neurones conditionnés) et/ou au son non conditionné (neurones généralisant). Sur les 233 neurones pyramidaux putatifs enregistrés 86 (37%) d'entre eux ont été conditionnés à un ou deux tons. Plus précisément, une population de neurones code conjointement pour un souvenir partagé, alors qu'un groupe de neurones différent code pour de nouvelles caractéristiques de nouveaux souvenirs. En particulier, en dépit d'une extinction du comportement réussie, le taux de décharge de ces neurones conditionné en réponse à la tonalité conditionnée est resté inchangée tout au long de la mesure d'apprentissage. En outre, en analysant les caractéristiques de pré-conditionnement des neurones conditionnés, j'ai déterminé qu'il était possible de prévoir le recrutement neuronal basé sur trois facteurs : 1) la sensibilité initiale aux entrées auditives, avec les neurones sensibles aux sons étant plus facilement recrutés que les neurones ne répondant pas aux stimuli auditifs; 2) les niveaux d'excitabilité des neurones, avec les neurones plus facilement excitables étant plus susceptibles d'être conditionnés au son ; et 3) le nombre de connexions reçues, puisque les neurones conditionné reçoivent plus de connexions que les neurones non-conditionnés. Enfin, nous avons constaté qu'il était possible de remplacer de façon satisfaisante le SI lors d'un conditionnement à la peur par des injections bilatérales de bicuculline, un antagoniste des récepteurs de l'acide y-Aminobutirique.

Mechanisms of B cell survival induced by BAFF, APRIL and their receptors

RESUME : BAFF est un membre de 1a famille du TNF qui contrôle l'homéostasie des lymphocytes B. BAFF lie les récepteurs TACI, BCMA et BAFF-R sur les cellules B, tandis qu'APRIL, son proche homologue, lie seulement TACI et BCMA. BAFF et APRIL sont des protéines transmembranaires pouvant -être relâchées sous forme de cytokines trimériques solubles suite à un clivage protéolytique. Le BAFF soluble peut s'assembler en 60-mère. Les rôles physiologiques des BAFF membranaires et solubles sont inconnnus. Nous avons étudié la capacité de diverses formes de BAFF et APRIL à activer différents récepteurs. BAFF-R répond à toutes les formes dé BAFF, tandis que TACI nécessite du BAFF ou de l'APRIL membranaire ou oligomérisé pour être activé et pour transmettre des signaux de survie dans les lymphocytes B primaires. TACI ne répond pas aux ligands trimériques bien qu'il puisse les lier. TACI est essentiel pour la réponse humorale aux antigènes présentant des épitoges répétitifs, une réponse qui est indépendante des lymphocytes T (réponse TI-2). Des souris exprimant moins de BAFF ont un pourcentage modérément réduit de lymphocytes B et leur réponse TI-2 est atténuée. Par contre, des souris qui n'expriment que du BAFF membranaire ont encore moins de cellules B mais répondent efficacement aux antigènes TI-2. Ces résultats suggèrent que le BAFF soluble est impliqué dans le maintien de la population des lymphocytes B, alors que le BAFF membranaire peut activer TACI lors d'are réponse TI-2. Le BAFF 60-mère est un autre activateur potentiel de TACI in vivo. Le BAFF 60-mère existe dans des surnageants de cellules productrices de BAFF mais n'est pas détecté dans le plasma de souris saines, même lorsqu'elles présentent des niveaux élevés de BAFF. BAFF 60-mère est néanmoins présent dans le plasma de souris transgéniques pour BAFF et de souris déficientes en TACI. Comme ces deux lignées présentent des signes d'autoimmunité, ces résultats suggèrent que la présence de BAFF 60-mère pourrait être liée à des conditions pathologiques. Summary : The TNF family ligand BAFF is essential for B cell homeostasis. BAFF binds to the receptors TACI, BCMA and BAFF-R on B cells, whereas its close homolog APRIL binds to TACI and BCMA only. BAFF and APRIL are transmembrane proteins, which can be proteolytically processed to release trimeric soluble cytokines. Soluble BAFF 3-mer can further assemble in a 60-mer. The physiological roles of membrane-bound and soluble BAFF are unknown. We studied the ability of various forms of BAFF and APRIL to signal through different receptors. BAFF-R responded to all forms of BAFF, but TACI required membrane-bound, cross-licked or oligomeric BAFF or APRIL in order to transmit productive signals in primary B cells. TACI was unresponsive to trimeric ligands, although it could bind them. TACI is essential for T-cell independent antibody responses to antigens with repetitive epitopes (TI-2 responses). Mice expressing lower than normal levels of BAFF displayed a moderate B cell reduction and impaired TI-2 responses, whereas mice expressing membrane-bound BAFF displayed severe B cell reduction, but unimpaired TI-2 responses. These results suggest that processed BAFF is involved in the maintenance of the B cell pool and that membrane-bound BAFF can activate TACI during T-cell independent humoral responses. BAFF 60-mer is another potential activator of TACI in vivo. BAFF 60-mer was detected in the supernatant of BAFF-producing cells, but not in the plasma of healthy mice with either norma1 or elevated BAFF levels. It was however present in sera of BAFF transgenic mice and TACI-/- mice, both of which suffer from autoimmunity, suggesting that GAFF 60-mer may be linked to pathogenic conditions.

Bacterial flagellin elicits innate immune defenses and cardiac dysfunction in vivo

Résumé Les agents pathogènes responsables d'infection entraînent chez l'hôte deux types de réponses immunes, la première, non spécifique, dite immunité innée, la seconde, spécifique à l'agent concerné, dite immunité adaptative. L'immunité innée, qui représente la première ligne de défense contre les pathogènes, est liée à la reconnaissance par les cellules de l'hôte de structures moléculaires propres aux micro-organismes (« Pathogen-Associated Molecular Patterns », PAMPs), grâce à des récepteurs membranaires et cytoplasmiques (« Pattern Recognition Receptors », PRRs) identifiant de manière spécifique ces motifs moléculaires. Les récepteurs membranaires impliqués dans ce processus sont dénommés toll-like récepteurs, ou TLRS. Lorsqu'ils sont activés par leur ligand spécifique, ces récepteurs activent des voies de signalisation intracellulaires initiant la réponse inflammatoire non spécifique et visant à éradiquer l'agent pathogène. Les deux voies de signalisation impliquées dans ce processus sont la voie des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs) et celle du « Nuclear Factor kappaB » (NF-κB), dont l'activation entraîne in fine l'expression de protéines de l'inflammation dénommées cytokines, ainsi que certaines enzymes produisant divers autres médiateurs inflammatoires. Dans certaines situations, cette réponse immune peut être amplifiée de manière inadéquate, entraînant chez l'hôte une réaction inflammatoire systémique exagérée, appelée sepsis. Le sepsis peut se compliquer de dysfonctions d'organes multiples (sepsis sévère), et dans sa forme la plus grave, d'un collapsus cardiovasculaire, définissant le choc septique. La défaillance circulatoire du choc septique touche les vaisseaux sanguins d'une part, le coeur d'autre part, réalisant un tableau de «dysfonction cardiaque septique », dont on connaît mal les mécanismes pathogéniques. Les bactéries à Gram négatif peuvent déclencher de tels phénomènes, notamment en libérant de l'endotoxine, qui active les voies de l'immunité innée par son interaction avec un toll récepteur, le TLR4. Outre l'endotoxine, la plupart des bactéries à Gram négatif relâchent également dans leur environnement une protéine, la flagelline, qui est le constituant majeur du flagelle bactérien, organelle assurant la mobilité de ces micro-organismes. Des données récentes ont indiqué que la flagelline active, dans certaines cellules, les voies de l'immunité innée en se liant au récepteur TLRS. On ne connaît toutefois pas les conséquences de l'interaction flagelline-TLRS sur le développement de l'inflammation et des dysfonctions d'organes au cours du sepsis. Nous avons par conséquent élaboré le présent travail en formulant l'hypothèse que la flagelline pourrait déclencher une telle inflammation et représenter ainsi un médiateur potentiel de la dysfonction d'organes au cours du sepsis à Gram négatif, en nous intéressant plus particulièrement àl'inflammation et à la dysfonction cardiaque. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, et sur l'expression de cytokines inflammatoires au niveau du myocarde in vitro (cardiomyocytes en culture) et in vivo (injection de flagelline recombinante à des souris). Nous avons observé tout d'abord que le récepteur TLRS est fortement exprimé au niveau du myocarde. Nous avons ensuite démontré que la flagelline active la voie du NF-κB et des MAP kinases (p38 et JNK), stimule la production de cytokines et de chemokines inflammatoires in vitro et in vivo, et entraîne l'activation de polynucléaires neutrophiles dans le tissu cardiaque in vivo. Finalement, au plan fonctionnel, nous avons pu montrer que la flagelline entraîne une dilatation et une réduction aiguë de la contractilité du ventricule gauche chez la souris, reproduisant les caractéristiques de la dysfonction cardiaque septique. Dans la deuxième partie, nous avons déterminé la distribution du récepteur TLRS dans les autres organes majeurs de la souris (poumon, foie, intestin et rein}, et avons caractérisé dans ces organes l'effet de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, l'expression de cytokines, et l'induction de l'apoptose. Nous avons démontré que le TLRS est exprimé de façon constitutive dans ces organes, et que l'injection de flagelline y déclenche les cascades de l'immunité innée et de processus apoptotiques. Finalement, nous avons également déterminé que la flagelline entraîne une augmentation significative de multiples cytokines dans le plasma une à six heures après son injection. En résumé, nos données démontrent que la flagelline bactérienne (a) entraîne une inflammation et une dysfonction importantes du myocarde et (b) active de manière très significative les mécanismes d'immunité innée dans les principaux organes et entraîne une réponse inflammatoire systémique. Par conséquent, la flagelline peut représenter un médiateur puissant de l'inflammation et de la dysfonction d'organes, notamment du coeur, au cours du choc septique déclenché par les bactéries à Gram négatif. Summary Pathogenic microorganisms trigger two kinds of immune responses in the host. The first one is immediate and non-specific and is termed innate immunity, whereas the second one, specifically targeted at the invading agent, is termed adaptative immunity. Innate immunity, which represents the first line of defense against invading pathogens, confers the host the ability to recognize molecular structures common to many microbial pathogens, ("Pathogen-Associated Molecular Patterns", PAMPs), through cytosolic or membrane-associated receptors ("Pattern Recognition Receptors", PRRs), the latter being represented by a family of receptors termed "toll-like receptors or TLRs". Once activated by the binding of their specific ligand, these receptors activate intracellular signaling pathways, which initiate the non-specific inflammatory response aimed at eradicating the pathogens. The two pathways implicated in this process are the mitogen-activated protein kinases (MAPK) and the nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling pathways, whose activation elicit in fine the expression of inflammatory proteins termed cytokines, as well as various enzymes producing a wealth of additional inflammatory mediators. In some circumstances, the innate immune response can become amplified and dysregulated, triggering an overwhelming systemic inflammatory response in the host, identified as sepsis. Sepsis can be associated with multiple organ dysfunction (severe sepsis), and in its most severe form, with cardiovascular collapse, defming septic shock. The cardiovascular failure associated with septic shock affects blood vessels as well as the heart, resulting in a particular form of acute heart failure termed "septic cardiac dysfunction ", whose pathogenic mechanisms remain partly undefined. Gram-negative bacteria can initiate such phenomena, notably by releasing lipopolysaccharide (LPS), which activates innate immune signaling by interacting with its specific toll receptor, the TLR4. Besides LPS, most Gram-negative bacteria also release flagellin into their environment, which is the main structural protein of the bacterial flagellum, an appendage extending from the outer bacterial membrane, responsible for the motility of the microorganism. Recent data indicated that flagellin activate immune responses upon binding to its receptor, TLRS, in various cell types. However, the role of flagellin/TLRS interaction in the development of inflammation and organ dysfunction during sepsis is not known. Therefore, we designed the present work to address the hypothesis that flagellin might trigger such inflammatory responses and thus represent a potential mediator of organ dysfunction during Gram-negative sepsis, with a particular emphasis on cardiac inflammation and contractile dysfunction. In the first part of this work, we investigated the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation and the generation of pro-inflammatory mediators within the heart in vitro (cultured cardiomyocytes) and in vivo (injection of recombinant flagellin into mice). We first observed that TLRS protein is strongly expressed by the myocardium. We then demonstrated that flagellin activates NF-κB and MAP kinases (p38 and JNK), upregulates the transcription of pro-inflammatory cytokines and chemokines in vitro and in vivo, and stimulates the activation of polymorphonuclear neutrophils within the heart in vivo. Finally, we demonstrated that flagellin triggers acute cardiac dilation, and a significant reduction of left ventricular contractility, mimicking characteristics of clinical septic cardiac dysfunction. In the second part, we determined the TLRS distribution in other mice major organs (lung, liver, gut and kidney) and we characterized in these organs the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation, on the expression of pro-inflammatory çytokines, and on the induction of apoptosis. We demonstrated that TLRS protein is constitutively expressed and that flagellin activates prototypical innate immune responses and pro-apoptotic pathways in all these organs. Finally, we also observed that flagellin induces a significant increase of multiple cytokines in the plasma from 1 to 6 hours after its intravenous administration. Altogether, these data provide evidence that bacterial flagellin (a) triggers an important inflammatory response and an acute dysfunction of the myocardium, and (b) significantly activates the mechanisms of innate immunity in most major organs and elicits a systemic inflammatory response. In consequence, flagellin may represent a potent mediator of inflammation and multiple organ failure, notably cardiac dysfunction, during Gram-negative septic shock.