Cortical origin of functional recovery in the somatosensory cortex of the adult mouse after thalamic lesion

Résumé L'accident vasculaire cérébral sensoriel pur est un des syndromes lacunaires, dû à l'occlusion de petits vaisseaux cérébraux, souvent dans le cadre d'une lésion intéressant le noyau ventro-caudal du thalamus. Il produit un hémisyndrome sensitif pur, et parfois un syndrome douloureux se développe à distance de l'événement aigu. Afin d'étudier la récupération fonctionnelle dans le cortex somatosensoriel (SI) après une telle lésion dans le thalamus, un modèle de lésion excitotoxique a été développé dans le système somatosensoriel de la souris adulte, caractérisé par la présence de formations cytoarchitectoniques dans SI appelées "tonneaux". Chacun de ces tonneaux correspond à la représentation corticale d'une vibrisse du museau. L'activité métabolique a été mesurée dans SI à différents intervalles après la lésion, à l'aide de déoxyglucose marqué radioactivement. Dans les deux premiers jours suivant celle-ci, l'activité métabolique diminue de manière importante dans toutes les couches corticales, avec une atteinte plus marquée dans la couche IV, principale projection des axones thalamo-corticaux. Une récupération de l'activité métabolique se produit ensuite, d'autant plus marquée que le délai après la lésion est grand. Cette récupération s'observe dans toutes les couches coticales, les couches I et Vb récupérant plus rapidement que les couches II, III, IV, Va et VI. Cinq semaines après la lésion, l'absence des vibrisses correspondant à la partie déafférentée de SI diminue l'activité métabolique corticale de 32% et démontre l'activation par la périphérie de cette partie de l'écorce, malgré la perte des axones thalamo-corticaux provenant du noyau ventro-caudal. Des expériences de traçage rétrograde ont montré une augmentation des projections intracorticales sur la partie déafférentée de l'écorce, en particulier de longue distance, ainsi que des projections interhémisphériques, mais n'ont pas permis de mettre en évidence de nouvelle projection thalamique, indiquant une origine corticale à la récupération fonctionnelle observée. Abstract To study the degree and time course of the functional recovery in the somatosensory cortex (SI) after an excitotoxic lesion in the adult mouse thalamus, metabolic activity was determined in SI at various times points post lesion. Immediately after the lesion, metabolic activity in the thalamically deafferented part of SI was at its lowest value but increased progressively at subsequent time points. This was seen in all cortical layers, however, layers I and Vb recover more rapidly than layers II, III, IV, Va and VI. Removal of the mystacial whiskers corresponding to the deafferented area, 5 weeks after cortical recovery, produced a subsequent 32% drop in metabolic activity, demonstrating peripheral sensory activation of this part of the cortex. Tracing experiments revealed that the deafferented cortex did not receive a novel thalamic input, but cortico-cortical and contralateral barrel cortex projections to this area were reinforced. We conclude that the cortical functional recovery after a thalamic lesion is, at least partially, due to modified cortico-cortical and callosal projections to the deafferented cortical area.

Oxygen tension controls the expression of the monocarboxylate transporter MCT4 in cultured mouse cortical astrocytes via a hypoxia-inducible factor-1α-mediated transcriptional regulation.

The monocarboxylate transporter MCT4 is a high capacity carrier important for lactate release from highly glycolytic cells. In the central nervous system, MCT4 is predominantly expressed by astrocytes. Surprisingly, MCT4 expression in cultured astrocytes is low, suggesting that a physiological characteristic, not met in culture conditions, is necessary. Here we demonstrate that reducing oxygen concentration from 21% to either 1 or 0% restored in a concentration-dependent manner the expression of MCT4 at the mRNA and protein levels in cultured astrocytes. This effect was specific for MCT4 since the expression of MCT1, the other astrocytic monocarboxylate transporter present in vitro, was not altered in such conditions. MCT4 expression was shown to be controlled by the transcription factor hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) since under low oxygen levels, transfecting astrocyte cultures with a siRNA targeting HIF-1α largely prevented MCT4 induction. Moreover, the prolyl hydroxylase inhibitor dimethyloxalylglycine (DMOG) induced MCT4 expression in astrocytes cultured in presence of 21% oxygen. In parallel, glycolytic activity was enhanced by exposure to 1% oxygen as demonstrated by the increased lactate release, an effect dependent on MCT4 expression. Finally, MCT4 expression was found to be necessary for astrocyte survival when exposed for a prolonged period to 1% oxygen. These data suggest that a major determinant of astrocyte MCT4 expression in vivo is likely the oxygen tension. This could be relevant in areas of high neuronal activity and oxygen consumption, favouring astrocytic lactate supply to neurons. Moreover, it could also play an important role for neuronal recovery after an ischemic episode.