Fast oscillatory activity in the anterior cingulate cortex: dopaminergic modulation and effect of perineuronal net loss.

Dopamine release in the prefrontal cortex plays a critical role in cognitive function such as working memory, attention and planning. Dopamine exerts complex modulation on excitability of pyramidal neurons and interneurons, and regulates excitatory and inhibitory synaptic transmission. Because of the complexity of this modulation, it is difficult to fully comprehend the effect of dopamine on neuronal network activity. In this study, we investigated the effect of dopamine on local high-frequency oscillatory neuronal activity (in β band) in slices of the mouse anterior cingulate cortex (ACC). We found that dopamine enhanced the power of these oscillations induced by kainate and carbachol, but did not affect their peak frequency. Activation of D2R and in a lesser degree D1R increased the oscillation power, while activation of D4R had no effect. These high-frequency oscillations in the ACC relied on both phasic inhibitory and excitatory transmission and functional gap junctions. Thus, dopamine released in the ACC promotes high-frequency synchronized local cortical activity which is known to favor information transfer, fast selection and binding of distributed neuronal responses. Finally, the power of these oscillations was significantly enhanced after degradation of the perineuronal nets (PNNs) enwrapping most parvalbumin interneurons. This study provides new insights for a better understanding of the abnormal prefrontal gamma activity in schizophrenia (SZ) patients who display prefrontal anomalies of both the dopaminergic system and the PNNs.

Neurobiology of addiction: the role of transcription factors CREB and C/EBP as well as that of their coactivators

Résumé Le présent travail de thèse a fait face au défi de lier les changements transcriptionnels dans les neurones du système nerveux central au développement de l'addiction aux drogues. I1 est connu que l'apprentissage induit des modifications au niveau de la structure du cerveau, principalement en changeant la manière dont les neurones sont interconnectés par des synapses. De plus en plus d'évidences soutiennent un scénario selon lequel l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire qui ciblent des facteurs de transcription. Ces derniers peuvent activer la transcription de gènes spécifiques qui codent pour des protéines nécessaires au renforcement des synapses mémorisant ainsi la nouvelle information. Puisque l'addiction peut être considérée comme une forme aberrante d'apprentissage, et que les modifications synaptiques sont connues pour être impliquées dans le processus d'addiction, nous essayons de décrire des mécanismes transcriptionels étant à la base des changements synaptiques induits par les drogues. Comme modèle nous utilisons des cultures primaires des neurones de striatum, d'hippocampe et de cortex de souris ainsi que des tranches de cerveau de rat. Une des caractéristiques communes de quasiment toutes les substances addictives est de pouvoir activer le système mésolimbique dopaminergique provoquant la libération de dopamine sur les neurones du striatum (du noyau accumbens). Dans ce travail de thèse nous démontrons que dans des cultures du striatum, la dopamine induit le facteur de transcription C/EBPβ qui, à son tour, provoque l'expression du gène codant pour la substance P. Ce mécanisme pourrait potentiellement contribuer à la tolérance envers les drogues puisqu'il fait partie d'une rétroaction (feed-back) sur les cellules produisant la dopamine. Etant donné que ces résultats montrent l'importance de C/EBPβ dans la psychopathologie de l'addiction, nous avons également décidé d'étudier les mécanismes fondamentaux de l'activation de la transcription par C/EBPβ. Nos expériences démontrent que trois isoformes activatrices de la famille C/EBP recrutent le coactivateur CBP et provoquent en même temps sa phosphorylation. Enfin, nous montrons que les coactivateurs nommés TORC, nouvellement découverts et clonés, sont capables de détecter la coïncidence d'un signal cAMP et d'une entrée de calcium dans des neurones. Par conséquent les TORCs pourraient contribuer à détecter la coïncidence d'un signal glutamate et d'un signal dopamine dans les neurones de striatum, ce qui pourrait être important pour associer les effets hédonistes de la drogue à l'information contextuelle (par exemple à l'environnement où la drogue a été consommée). Nous sommes les premiers à observer que les TORCs sont nécessaires pour la potentiation à long terme dans l'hippocampe. Summary The present thesis work faced the challenge to link the development of drug addiction to transcriptional changes in the neurons of the central nervous system. Experience and learning are known to induce structural modifications in the brain, and these changes are thought to occur mainly in the way neurons are interconnected by synapses. More and more evidences point to a scenario in which neuronal activity would activate signalization cascades that impinge on transcription factors, which, in turn, would activate genes necessary for the reinforcement of synapses coding for new informations. Given that drug addiction can be considered as an aberrant form of learning and is thought to involve synaptic modifications, we try to elucidate some of the transcriptional mechanisms that could underlie drug-induced synaptic changes. As a model system, we use primary cultures of striatal, cortical and hippocampal neurons dissected from mouse embryos as well as brain slices from rats. One of the common features of virtually all drugs of abuse is to activate the mesocorticolimbic dopaminergic system that results in the release of dopamine onto the neurons of the striatum (nucleus accumbens). In this thesis work we show that in striatal cultures, dopamine induces the transcription factor C/EBPβ that in turn drives the expression of the gene coding for substance P. This mechanism is likely to be important for the drug-induced tolerance in the brain since it might be a part of a feedback acting on dopaminergic neurons. Given the suspected importance of C/EBPβ in drug addiction, we also try to elucidate some aspects of the basic mechanisms by which the C/EBP family activates transcription. We show that three activating members of the C/EBP family recruit the coactivator CBP and trigger its phosphorylation. Finally, we demonstrate that the newly discovered and cloned transcriptional coactivators, named TORCs (transducers of regulated CREB activity) are able to detect the coincidence of a calcium and a cAMP signal in the central nervous system. This way, TORCs could contribute to the detection of a coincidence between a glutamate and a dopamine signal in striatal neurons - a process that is suggested to be important for an association between the rewarding effect of a drug and contextual information (such as the environment where the drug had been taken). We demonstrate that TORCs are required for hippocampal LTP.

Role of the hypocretin system in cocaine- and alcohol-related behaviors : evidence from hypocretin-deficient mice

RésuméL'addiction aux drogues est une maladie multifactorieile affectant toutes les strates de notre société. Cependant, la vulnérabilité à développer une addiction dépend de facteurs environnementaux, génétiques et psychosociaux. L'addiction aux drogues est décrite comme étant une maladie chronique avec un taux élevé de rechutes. Elle se caractérise par un besoin irrépressible de consommer une drogue et une augmentation progressive de la consommation en dépit des conséquences néfastes. Les mécanismes cérébraux responsables des dépendances aux drogues ne sont que partiellement élucidés, malgré une accumulation croissante d'évidences démontrant des adaptations au niveau moléculaire et cellulaire au sein des systèmes dopaminergique et glutamatergique. L'identification de nouveaux facteurs neurobiologiques responsables de la vulnérabilité aux substances d'abus est cruciale pour le développement de nouveaux traitements thérapeutiques capables d'atténuer et de soulager les symptômes liés à la dépendance aux drogues.Au cours des dernières années, de nombreuses études ont démontré qu'un nouveau circuit cérébral, le système hypocrétinergique, était impliqué dans plusieurs fonctions physiologiques, tel que l'éveil, le métabolisme énergétique, la motivation, le stress et les comportements liés aux phénomènes de récompense. Le système hypocrétinergique est composé d'environ 3000-4000 neurones issus de l'hypothalamus latéral projetant dans tout ie cerveau. Des souris transgéniques pour le gène des hypocrétines ont été générées et leur phénotype correspond à celui des animaux sauvages, excepté le fait qu'elles soient atteintes d'attaques de sommeil similaires à celles observées chez les patients narcoleptiques. H semblerait que les hypocrétines soient requises pour l'acquisition et l'expression de la dépendance aux drogues. Cependant, le mécanisme précis reste encore à être élucidé. Dans ce rapport, nous rendons compte des comportements liés aux phénomènes de récompense liés à l'alcool et à la cocaine chez les souris knock-out (KO), hétérozygotes (HET) et sauvages (WT).Nous avons, dans un premier temps, évalué l'impact d'injections répétées de cocaïne (15 mg/kg, ip) sur la sensibilisation locomotrice et sur le conditionnement place préférence. Nous avons pu observer que les souris WT, HET et KO exprimaient une sensibilisation locomotrice induite par une administration chronique de cocaïne, cependant les souris déficientes en hypocrétines démontraient une sensibilisation retardée et atténuée. Π est intéressant de mentionner que les mâles HET exprimaient une sensibilisation comportementale intermédiaire. Après normalisation des données, toutes les souris exprimaient une amplitude de sensibilisation similaire, excepté les souris mâles KO qui affichaient, le premier jour de traitement, une sensibilisation locomotrice réduite et retardée, reflétant un phénotype hypoactif plutôt qu'une altération de la réponse aux traitements chroniques de cocaïne. Contre toute attente, toutes les souris femelles exprimaient un pattern similaire de sensibilisation locomotrice à la cocaïne. Nous avons ensuite évalué l'effet d'un conditionnement comportemental à un environnement associé à des injections répétées de cocaine (15 mg / kg ip). Toutes les souris, quelque soit leur sexe ou leur génotype, ont manifesté une préférence marquée pour l'environnement apparié à la cocaïne. Après deux semaines d'abstinence à la cocaïne, les mâles et les femelles déficientes en hypocrétines n'exprimaient plus aucune préférence pour le compartiment précédemment associé à la cocaïne. Alors que les souris WT et HET maintenaient leur préférence pour le compartiment associé à la cocaïne. Pour finir, à l'aide d'un nouveau paradigme appelé IntelliCage®, nous avons pu évaluer la consommation de liquide chez les femelles WT, HET et KO. Lorsqu'il n'y avait que de l'eau disponible, nous avons observé que les femelles KO avaient tendance à moins explorer les quatre coins de la cage. Lorsque les souris étaient exposées à quatre types de solutions différentes (eau, ImM quinine ou 0.2% saccharine, alcool 8% et alcool 16%), les souris KO avaient tendance à moins consommer l'eau sucrée et les solutions alcoolisées. Cependant, après normalisation des données, aucune différence significative n'a pu être observée entre les différents génotypes, suggérant que la consommation réduite d'eau sucrée ou d'alcool peut être incombée à l'hypoactivité des souris KO.Ces résultats confirment que le comportement observé chez les souris KO serait dû à des compensations développementales, puisque la sensibilisation locomotrice et le conditionnement comportemental à la cocaïne étaient similaires aux souris HET et WT. En ce qui concerne la consommation de liquide, les souris KO avaient tendance à consommer moins d'eau sucrée et de solutions alcoolisées. Le phénotype hypoactif des souris déficientes en hypocrétine est probablement responsable de leur tendance à moins explorer leur environnement. Il reste encore à déterminer si l'expression de ce phénotype est la conséquence d'un état de vigilance amoindri ou d'une motivation diminuée à la recherche de récompense. Nos résultats suggèrent que les souris déficientes en hypocrétine affichent une motivation certaine à la recherche de récompense lorsqu'elles sont exposées à des environnements où peu d'efforts sont à fournir afin d'obtenir une récompense.AbstractDrug addiction is a multifactorial disorder affecting human beings regardless their education level, their economic status, their origin or even their gender, but the vulnerability to develop addiction depends on environmental, genetic and psychosocial dispositions. Drug addiction is defined as a chronic relapsing disorder characterized by compulsive drug seeking, with loss of control over drug intake and persistent maladaptive decision making in spite of adverse consequences. The brain mechanisms responsible for drug abuse remain partially unknown despite accumulating evidence delineating molecular and cellular adaptations within the glutamatergic and the dopaminergic systems. However, these adaptations do not fully explain the complex brain disease of drug addiction. The identification of other neurobiological factors responsible for the vulnerability to substance abuse is crucial for the development of promising therapeutic treatments able to alleviate signs of drug dependence.For the past few years, growing evidence demonstrated that a recently discovered brain circuit, the hypocretinergic system, is implicated in many physiological functions, including arousal, energy metabolism, motivation, stress and reward-related behaviors. The hypocretin system is composed of a few thousands neurons arising from the lateral hypothalamus and projecting to the entire brain. Hypocretin- deficient mice have been generated, and unexpectedly, their phenotype resembles that of wild type mice excepting sleep attacks strikingly similar to those of human narcolepsy patients. Evidence suggesting that hypocretins are required for the acquisition and the expression of drug addiction has also been reported; however the precise mechanism by which hypocretins modulate drug seeking behaviors remains a matter of debate. Here, we report alcohol and cocaine reward-related behaviors in hypocretin-deficient mice (KO), as well as heterozygous (HET) and wild type (WT) littermates.We first evaluated the impact of repeated cocaine injections (15 mg/kg, ip) on locomotor sensitization and conditioned place preference. We observed that WT, HET and KO mice exhibited behavioral sensitization following repeated cocaine administrations, but hypocretin deficient males displayed a delayed and attenuated response to chronic cocaine administrations. Interestingly, HET males exhibited an intermediate pattern of behavioral sensitization. However, after standardization of the post-injection data versus the period of habituation prior to cocaine injections, all mice displayed similar amplitudes of behavioral sensitization, except a reduced response in KO males on the first day, suggesting that the delayed and reduced cocaine-induced locomotor sensitization may reflect a hypoactive phenotype and probably not an altered response to repeated cocaine administrations. Unexpectedly, all female mice exhibited similar patterns of cocaine-induced behavioral sensitization. We then assessed the behavioral conditioning for an environment repeatedly paired with cocaine injections (15 mg/kg ip). All mice, whatever their gender or genotype, exhibited a robust preference for the environment previously paired with cocaine administrations. Noteworthy, following two weeks of cocaine abstinence, hypocretin-deficient males and females no longer exhibited any preference for the compartment previously paired with cocaine rewards whereas both WT and HET mice continued manifesting a robust preference. We finally assessed drinking behaviors in WT, HET and KO female mice using a novel paradigm, the IntelliCages®. We report here that KO females tended to less explore the four cage comers where water was easily available. When exposed to four different kinds of liquid solutions (water, ImM quinine or saccharine 0.2%, alcohol 8% and alcohol 16%), KO mice tended to less consume the sweet and the alcoholic beverages. However, after data standardization, no significant differences were noticed between genotypes suggesting that the hypoactive phenotype is most likely accountable for the trend regarding the reduced sweet or alcohol intake in KO.Taken together, the present findings confirm that the behavior seen in Hcrt KO mice likely reflects developmental compensations since only a slightly altered cocaine-induced behavioral sensitization and a normal behavioral conditioning with cocaine were observed in these mice compared to HET and WT littermates. With regards to drinking behaviors, KO mice barely displayed any behavioral changes but a trend for reducing sweet and alcoholic beverages. Overall, the most striking observation is the constant hypoactive phenotype seen in the hypocretin-deficient mice that most likely is accountable for their reduced tendency to explore the environment. Whether this hypoactive phenotype is due to a reduced alertness or reduced motivation for reward seeking remains debatable, but our findings suggest that the hypocretin-deficient mice barely display any altered motivation for reward seeking in environments where low efforts are required to access to a reward.

Stable alpha-synuclein oligomers strongly inhibit chaperone activity of the Hsp70 system by weak interactions with J-domain co-chaperones.

α-Synuclein aggregation and accumulation in Lewy bodies are implicated in progressive loss of dopaminergic neurons in Parkinson disease and related disorders. In neurons, the Hsp70s and their Hsp40-like J-domain co-chaperones are the only known components of chaperone network that can use ATP to convert cytotoxic protein aggregates into harmless natively refolded polypeptides. Here we developed a protocol for preparing a homogeneous population of highly stable β-sheet enriched toroid-shaped α-Syn oligomers with a diameter typical of toxic pore-forming oligomers. These oligomers were partially resistant to in vitro unfolding by the bacterial Hsp70 chaperone system (DnaK, DnaJ, GrpE). Moreover, both bacterial and human Hsp70/Hsp40 unfolding/refolding activities of model chaperone substrates were strongly inhibited by the oligomers but, remarkably, not by unstructured α-Syn monomers even in large excess. The oligomers acted as a specific competitive inhibitor of the J-domain co-chaperones, indicating that J-domain co-chaperones may preferably bind to exposed bulky misfolded structures in misfolded proteins and, thus, complement Hsp70s that bind to extended segments. Together, our findings suggest that inhibition of the Hsp70/Hsp40 chaperone system by α-Syn oligomers may contribute to the disruption of protein homeostasis in dopaminergic neurons, leading to apoptosis and tissue loss in Parkinson disease and related neurodegenerative diseases.

Targeted inactivation of hypocretin receptors in dopaminergic and noradrenergic systems alters brain activity in wakefulness

Since the discovery of hypocretins/orexins (Hcrt/Ox) in 1998, several narcoleptic mouse models, such as Hcrt-KO, Hcrtrl-KO, Hcrtr2-KO and double receptors KO mice, and orexin-ataxin transgenic mice were generated. The available Hcrt mouse models do not allow the dissection of the specific role of Hcrt in each target region. Dr. Anne Vassalli generated loxP-flanked alleles for each Hcrt receptor, which are manipulated by Cre recombinase to generate mouse lines with disrupted Hcrtrl or Hcrtr2 (or both) in cell type-specific manner. The role of noradrenaline (NA) and dopamine (OA) in ttie regulation of vigilance states is well documented. The purpose of this thesis is to explore the role of the Hcrt input into these two monoaminergic systems. Chronic loss of Hcrtrl in NA neurons consolidated paradoxical sleep (PS), and altered wakefulness brain activity in baseline, during the sleep deprivation (SD), and when mice were challenged by a novel environment, or exposed to nest-building material. The analysis of alterations in the sleep EEG delta power showed a consistent correlation with the changes in the preceding waking quality in these mice. Targeted inactivation of Hcrt input into DA neurons showed that Hcrtr2 inactivation present the strongest phenotype. The loss of Hcrtr2 in DA neurons caused modified brain activities in spontaneous wakefulness, during SD, and in novel environmental conditions. In addition to alteration of wakefulness quality and quantity, conditional inactivation of Hcrtr2 in DA neurons caused an increased in time spent in PS in baseline and a delayed and less complete PS recovery after SD. In the first 30 min of sleep recovery, single (i.e. for Hcrtrl or Hcrtr2) conditional knockout receptor mice had opposite changes in delta activity, including an increased power density in the fast delta range with specific inactivation of Hcrtr2, but a decreased power density in the same range with specific inactivation of Hcrtrl in DA cells. These studies demonstrate a complex impact of Hcrt receptors signaling in both NA and DA system, not only on quantity and quality of wakefulness, but also on PS amount regulation as well as on SWS delta power expression. -- Depuis la découverte des hypocrétines/orexines (Hcrt/Ox) en 1998, plusieurs modèles de souris, narcoleptiques telles que Hcrt-KO, Hcrtr2-KO et récepteurs doubles KO et les souris transgéniques orexine-ataxine ont été générés. Les modèles de souris Hcrt disponibles ne permettaient pas la dissection du rôle spécifique de l'Hcrt dans chaque noyau neuronal cible. Notre laboratoire a généré des allèles loxP pour chacun des 2 gènes codant pour les récepteurs Hcrtr, qui sont manipulés par recombinase Cre pour générer des lignées de souris avec Hcrtrl inactivé, ou Hcrtr2 inactivé, (ou les deux), spécifiquement dans un type cellulaire particulier. Le rôle de la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA) dans la régulation des états de vigilance est bien documentée. Le but de cette thèse est d'étudier le rôle de l'afférence Hcrt dans ces deux systèmes monoaminergiques au niveau de l'activité cérébrale telle qu'elle apparaît dans l'électroencéphalogramme (EEG). Mon travail montre que la perte chronique de Hcrtrl dans les neurones NA consolide le sommeil paradoxal (PS), et l'activité cérébrale de l'éveil est modifiée en condition spontanée, au cours d'une experience de privation de sommeil (SD), et lorsque les souris sont présentées à un nouvel environnement, ou exposées à des matériaux de construction du nid. Ces modifications de l'éveil sont corrélées à des modifications de puissance de l'activité delta du sommeil lent qui le suit. L'inactivation ciblée des Hcrtrs dans les neurones DA a montré que l'inactivation Hcrtr2 conduit au phénotype le plus marqué. La perte de Hcrtr2 dans les neurones DA mène à des modification d'activité cérébrale en éveil spontané, pendant SD, ainsi que dans des conditions environnementales nouvelles. En plus de l'altération de la qualité de l'éveil et de la quantité, l'inactivation conditionnelle de Hcrtr2 dans les neurones DA a provoqué une augmentation du temps passé en sommeil paradoxal (PS) en condition de base, et une reprise retardée et moins complète du PS après SD. Dans les 30 premières minutes de la récupération de sommeil, les modèles inactivés pour un seul des récepteurs (ie pour Hcrtrl ou Hcrtr2 seulement) montrent des changements opposés en activité delta, en particulier une densité de puissance accrue dans le delta rapide avec l'inactivation spécifique de Hcrtr2, mais une densité de puissance diminuée dans cette même gamme chez les souris inactivées spécifiquement en Hcrtrl dans les neurones DA. Ces études démontrent un impact complexe de l'inactivation de la neurotransmission au niveau des récepteurs d'Hcrt dans les deux compartiments NA et DA, non seulement sur la quantité et la qualité de l'éveil, mais aussi sur la régulation de quantité de sommeil paradoxal, ainsi que sur l'expression de la puissance delta pendant le sommeil lent.

Long-term controlled GDNF over-expression reduces dopamine transporter activity without affecting tyrosine hydroxylase expression in the rat mesostriatal system.

The dopamine (DA) transporter (DAT) is a plasma membrane glycoprotein expressed in dopaminergic (DA-) cells that takes back DA into presynaptic neurons after its release. DAT dysfunction has been involved in different neuro-psychiatric disorders including Parkinson's disease (PD). On the other hand, numerous studies support that the glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) has a protective effect on DA-cells. However, studies in rodents show that prolonged GDNF over-expression may cause a tyrosine hydroxylase (TH, the limiting enzyme in DA synthesis) decline. The evidence of TH down-regulation suggests that another player in DA handling, DAT, may also be regulated by prolonged GDNF over-expression, and the possibility that this effect is induced at GDNF expression levels lower than those inducing TH down-regulation. This issue was investigated here using intrastriatal injections of a tetracycline-inducible adeno-associated viral vector expressing human GDNF cDNA (AAV-tetON-GDNF) in rats, and doxycycline (DOX; 0.01, 0.03, 0.5 and 3mg/ml) in the drinking water during 5weeks. We found that 3mg/ml DOX promotes an increase in striatal GDNF expression of 12× basal GDNF levels and both DA uptake decrease and TH down-regulation in its native and Ser40 phosphorylated forms. However, 0.5mg/ml DOX promotes a GDNF expression increase of 3× basal GDNF levels with DA uptake decrease but not TH down-regulation. The use of western-blot under non-reducing conditions, co-immunoprecipitation and in situ proximity ligation assay revealed that the DA uptake decrease is associated with the formation of DAT dimers and an increase in DAT-α-synuclein interactions, without changes in total DAT levels or its compartmental distribution. In conclusion, at appropriate GDNF transduction levels, DA uptake is regulated through DAT protein-protein interactions without interfering with DA synthesis.