INTERCELLULAR AND SYSTEM-LEVEL ASPECTS OF THE METABOLIC INTERACTIONS BETWEEN NEURONS AND GLIA

Quand on parle de l'acide lactique (aussi connu sous le nom de lactate) une des premières choses qui vient à l'esprit, c'est son implication en cas d'intense activité musculaire. Sa production pendant une activité physique prolongée est associée avec la sensation de fatigue. Il n'est donc pas étonnant que cette molécule ait été longtemps considérée comme un résidu du métabolisme, possiblement toxique et donc à éliminer. En fait, il a été découvert que le lactate joue un rôle prépondérant dans le métabolisme grâce à son fort potentiel énergétique. Le cerveau, en particulier les neurones qui le composent, est un organe très gourmand en énergie. Récemment, il a été démontré que les astrocytes, cellules du cerveau faisant partie de la famille des cellules gliales, utilisent le glucose pour produire du lactate comme source d'énergie et le distribue aux neurones de manière adaptée à leur activité. Cette découverte a renouvelé l'intérêt scientifique pour le lactate. Aujourd'hui, plusieurs études ont démontré l'implication du lactate dans d'autres fonctions de la physiologie cérébrale. Dans le cadre de notre étude, nous nous sommes intéressés au rapport entre neurones et astrocytes avec une attention particulière pour le rôle du lactate. Nous avons découvert que le lactate possède la capacité de modifier la communication entre les neurones. Nous avons aussi décrypté le mécanisme grâce auquel le lactate agit, qui est basé sur un récepteur présent à la surface des neurones. Cette étude montre une fonction jusque-là insoupçonnée du lactate qui a un fort impact sur la compréhension de la relation entre neurones et astrocytes. - Relatively to its volume, the brain uses a large amount of glucose as energy source. Furthermore, a tight link exists between the level of synaptic activity and the consumption of energy equivalents. Astrocytes have been shown to play a central role in the regulation of this so-called neurometabolic coupling. They are thought to deliver the metabolic substrate lactate to neurons in register to glutamatergic activity. The astrocytic uptake of glutamate, released in the synaptic cleft, is the trigger signal that activates an intracellular cascade of events that leads to the production and release of lactate from astrocytes. The main goal of this thesis work was to obtain detailed information on the metabolic and functional interplay between neurons and astrocytes, in particular on the influence of lactate besides its metabolic effects. To gain access to both spatial and temporal aspects of these dynamic interactions, we used optical microscopy associated with specific fluorescent indicators, as well as electrophysiology. In the first part of this thesis, we show that lactate decreases spontaneous neuronal, activity in a concentration-dependent manner and independently of its metabolism. We further identified a receptor-mediated pathway underlying this modulatory action of lactate. This finding constituted a novel mechanism for the modulation of neuronal transmission by lactate. In the second part, we have undergone a characterization of a new pharmacological tool, a high affinity glutamate transporter inhibitor. The finality of this study was to investigate the detailed pharmacological properties of the compound to optimize its use as a suppressor of glutamate signal from neuron to astrocytes. In conclusion, both studies have implications not only for the understanding of the metabolic cooperation between neurons and astrocytes, but also in the context of the glial modulation of neuronal activity. - Par rapport à son volume, le cerveau utilise une quantité massive de glucose comme source d'énergie. De plus, la consommation d'équivalents énergétiques est étroitement liée au niveau d'activité synaptique. Il a été montré que dans ce couplage neurométabolique, un rôle central est joué par les astrocytes. Ces cellules fournissent le lactate, un substrat métabolique, aux neurones de manière adaptée à leur activité glutamatergique. Plus précisément, le glutamate libéré dans la fente synaptique par les neurones, est récupéré par les astrocytes et déclenche ainsi une cascade d'événements intracellulaires qui conduit à la production et libération de lactate. Les travaux de cette thèse ont visé à étudier la relation métabolique et fonctionnelle entre neurones et astrocytes, avec une attention particulière pour des rôles que pourrait avoir le lactate au-delà de sa fonction métabolique. Pour étudier les aspects spatio-temporels de ces interactions dynamiques, nous avons utilisé à la fois la microscopie optique associée à des indicateurs fluorescents spécifiques, ainsi que l'électrophysiologie. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que le lactate diminue l'activité neuronale spontanée de façon concentration-dépendante et indépendamment de son métabolisme. Nous avons identifié l'implication d'un récepteur neuronal au lactate qui sous-tend ce mécanisme de régulation. La découverte de cette signalisation via le lactate constitue un mode d'interaction supplémentaire et nouveau entre neurones et astrocytes. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé un outil pharmacologique, un inhibiteur des transporteurs du glutamate à haute affinité. Le but de cette étude était d'obtenir un agent pharmacologique capable d'interrompre spécifiquement le signal médié par le glutamate entre neurones et astrocytes pouvant permettre de mieux comprendre leur relation. En conclusion, ces études ont une implication non seulement pour la compréhension de la coopération entre neurones et astrocytes mais aussi dans le contexte de la modulation de l'activité neuronale par les cellules gliales.

Determination of chemical composition and its relationship with optical properties of Ti-N and Ti-V-N sputtered thin films

In the investigation of thin films of transition metal nitrides, an essential role is played by the accurate determination of their chemical composition. Actually the chemical composition depends on the deposition parameters and influences the optical properties. These relations are illustrated in thin films of TiNx and (Ti1-yVy)N-x deposited by reactive magnetron sputtering from composite targets of the elements. By variation of the nitrogen partial pressure and the target composition, different samples have been obtained. The chemical composition has been measured by electron probe microanalysis at low irradiation voltages. The optical properties are evaluated by ex-situ ellipsometry. Using the screened Drude model, they are correlated with the differences in composition. Adding vanadium or nitrogen in Ti-N is shown to have the same effect on the optical properties.

Direct electrical stimulation using a battery-operated device for induction and modulation of colonic contractions in pigs.

Direct electrical stimulation of the colon offers a promising approach for the induction of propulsive colonic contractions by using an implantable device. The objective of this study was to assess the feasibility to induce colonic contractions using a commercially available battery-operated stimulator (maximum pulse width of 1 ms and maximum amplitude of 10 V). Three pairs of pacing electrodes were inserted into the cecal seromuscular layer of anesthetized pigs. During a first set of in vivo experiments conducted on six animals, a pacing protocol leading to cecum contractions was determined: stimulation bursts with 1 ms pulse width, 10 V amplitude (7-15 mA), 120 Hz frequency, and 30-s burst duration, repeated every 2-5 min. In a second testing phase, an evaluation of the pacing protocol was performed in four animals (120 stimulation bursts in total). By using the battery-operated stimulator, contractions of the cecum and movement of contents could be induced in 92% of all stimulations. A cecal shortening of about 30% and an average intraluminal pressure increase of 10.0 +/- 6.0 mmHg were observed.

Comparability of clinical wear measurements by optical 3D laser scanning in two different centers.

OBJECTIVE: The purpose of this study was to compare the use of different variables to measure the clinical wear of two denture tooth materials in two analysis centers. METHODS: Twelve edentulous patients were provided with full dentures. Two different denture tooth materials (experimental material and control) were placed randomly in accordance with the split-mouth design. For wear measurements, impressions were made after an adjustment phase of 1-2 weeks and after 6, 12, 18, and 24 months. The occlusal wear of the posterior denture teeth of 11 subjects was assessed in two study centers by use of plaster replicas and 3D laser-scanning methods. In both centers sequential scans of the occlusal surfaces were digitized and superimposed. Wear was described by use of four different variables. Statistical analysis was performed after log-transformation of the wear data by use of the Pearson and Lin correlation and by use of a mixed linear model. RESULTS: Mean occlusal vertical wear of the denture teeth after 24 months was between 120μm and 212μm, depending on wear variable and material. For three of the four variables, wear of the experimental material was statistically significantly less than that of the control. Comparison of the two study centers, however, revealed correlation of the wear variables was only moderate whereas strong correlation was observed among the different wear variables evaluated by each center. SIGNIFICANCE: Moderate correlation was observed for clinical wear measurements by optical 3D laser scanning in two different study centers. For the two denture tooth materials, wear measurements limited to the attrition zones led to the same qualitative assessment.

Modulation of the gap junction protein Connexin36 in neurons in a mouse model of transient focalcerebral ischemia

Intercellular communication is achieved at specialized regions of the plasma membrane by¦gap junctions. Gap junctions are transmembrane channels allowing direct contacts between¦the cytoplasms of neighboring cells. Each cell participates with one hemichannel, or¦connexon, made of six protein subunits named connexins. Thanks to these junctions, cells¦potentially share a pool of small molecules and metabolites, such as nucleotides, amino acids¦and second messengers.¦In an ischemic (i.e. non-perfused) territory of the brain, irreversible damage progresses over¦time from the centre of the most severe flow reduction to the periphery with less disturbed¦perfusion. Functionally impaired tissue can survive and recover if sufficient reperfusion is reestablished¦within a limited time period, which depends on various factors and mechanisms¦modulating the signaling pathways leading to cell death.¦Observations were made indicating the presence of electrical coupling between neurons which¦resist better to an ischemic insult. This electrical coupling is likely to be mediated by¦Connexin36 (Cx36), a neuron specific connexin isoform. It was demonstrated in the past that¦global ischemia induces a selective upregulation of Cx36 expression in regions with neurons¦that survive the insult whereas others undergo apoptosis and die. These observations raise the¦possibility that the neuronal gap junction Cx36 might play a role in the destiny of neurons¦after cerebral ischemia.¦The aim of this work was to characterize the regulation of Connexin36 in a mouse model of¦transient focal cerebral ischemia by immunofluorescence and Western blot analysis. Our¦immunofluorescence results suggest a specific increase in Cx36 in the penumbral region of¦the ischemic hemisphere.

Active Learning of Very-High Resolution Optical Imagery with SVM: Entropy vs Margin Sampling

An active learning method is proposed for the semi-automatic selection of training sets in remote sensing image classification. The method adds iteratively to the current training set the unlabeled pixels for which the prediction of an ensemble of classifiers based on bagged training sets show maximum entropy. This way, the algorithm selects the pixels that are the most uncertain and that will improve the model if added in the training set. The user is asked to label such pixels at each iteration. Experiments using support vector machines (SVM) on an 8 classes QuickBird image show the excellent performances of the methods, that equals accuracies of both a model trained with ten times more pixels and a model whose training set has been built using a state-of-the-art SVM specific active learning method

Cardiac Lineage Protein-1 (CLP-1) Regulates Cardiac Remodeling via Transcriptional Modulation of Diverse Hypertrophic and Fibrotic Responses and Angiotensin II-transforming Growth Factor β (TGF-β1) Signaling Axis.

It is well known that the renin-angiotensin system contributes to left ventricular hypertrophy and fibrosis, a major determinant of myocardial stiffness. TGF-β1 and renin-angiotensin system signaling alters the fibroblast phenotype by promoting its differentiation into morphologically distinct pathological myofibroblasts, which potentiates collagen synthesis and fibrosis and causes enhanced extracellular matrix deposition. However, the atrial natriuretic peptide, which is induced during left ventricular hypertrophy, plays an anti-fibrogenic and anti-hypertrophic role by blocking, among others, the TGF-β-induced nuclear localization of Smads. It is not clear how the hypertrophic and fibrotic responses are transcriptionally regulated. CLP-1, the mouse homolog of human hexamethylene bis-acetamide inducible-1 (HEXIM-1), regulates the pTEFb activity via direct association with pTEFb causing inhibition of the Cdk9-mediated serine 2 phosphorylation in the carboxyl-terminal domain of RNA polymerase II. It was recently reported that the serine kinase activity of Cdk9 not only targets RNA polymerase II but also the conserved serine residues of the polylinker region in Smad3, suggesting that CLP-1-mediated changes in pTEFb activity may trigger Cdk9-dependent Smad3 signaling that can modulate collagen expression and fibrosis. In this study, we evaluated the role of CLP-1 in vivo in induction of left ventricular hypertrophy in angiotensinogen-overexpressing transgenic mice harboring CLP-1 heterozygosity. We observed that introduction of CLP-1 haplodeficiency in the transgenic α-myosin heavy chain-angiotensinogen mice causes prominent changes in hypertrophic and fibrotic responses accompanied by augmentation of Smad3/Stat3 signaling. Together, our findings underscore the critical role of CLP-1 in remodeling of the genetic response during hypertrophy and fibrosis.

Modulation of fructose metabolism by dietary factors

High fructose consumption is associated with obesity and characteristics of metabolic syndrome. This includes insulin resistance, dyslipidemia, type II diabetes and hepatic steatosis, the hepatic component of metabolic syndrome. Short term high fructose consumption in healthy humans is considered as a study model to increase intrahepatocellular lipids (IHCL). Protein supplementation added to a short term high fructose diet exerts a protective role on hepatic fat accumulation. Fructose disposal after an acute fructose load is well established. However, fructose disposal is usually studied when a high intake of fructose is ingested. Interaction of fructose with other macronutrients on fructose disposal is not clearly established. We wanted to assess how fructose disposal is modulated with nutritional factors. For the first study, we addressed the question of how would essential amino acid (EAA) supplemented to a high fructose diet have an impact on hepatic fat accumulation? We tried to distinguish which metabolic pathways were responsible for the increase in IHCL induced by high fructose intake and how those pathways would be modulated by EAA. After 6 days of hypercaloric high fructose diet, we observed, as expected an increase in IHCL modulated by an increase in VLDL-triglycerides and an increase in VLDL-13C-palmitate production. When adding a supplementation in EAA, we observed a decrease in IHCL but we could not define which mechanism was responsible for this process. With the second study, we were interested to observe fructose disposal after a test meal that contained lipid, protein and a physiologic dose of fructose co-ingested or not with glucose. When ingested with other macronutrients, hepatic fructose disposal is similar as when ingested as pure fructose. It induced oxidation, gluconeogenesis followed by glycogen synthesis, conversion into lactate and to a minor extent by de novo lipogenesis. When co- ingested with glucose decreased fructose oxidation as well as gluconeogenesis and an increased glycogen synthesis without affecting de novo lipogenesis or lactate. We were also able to observe induction of intestinal de novo lipogenesis with both fructose and fructose co- ingested with glucose. In summary, essential amino acids supplementation blunted increase in hepatic fat content induced by a short term chronic fructose overfeeding. However, EAA failed to improve other cardiovascular risk factors. Under isocaloric condition and in the frame of an acute test meal, physiologic dose of fructose associated with other macronutrients led to the same fructose disposal as when fructose is ingested alone. When co-ingested with glucose, we observed a decrease in fructose oxidation and gluconeogenesis as well as an increased in glycogen storage without affecting other metabolic pathways. - Une consommation élevée en fructose est associée à l'obésité et aux caractéristiques du syndrome métabolique. Ces dernières incluent une résistance à l'insuline, une dyslipidémie, un diabète de type II et la stéatose hépatique, composant hépatique du syndrome métabolique. À court terme une forte consommation en fructose chez l'homme sain est considérée comme un modèle d'étude pour augmenter la teneur en graisse hépatique. Une supplémentation en protéines ajoutée à une alimentation riche en fructose de courte durée a un effet protecteur sur l'accumulation des graisses au niveau du foie. Le métabolisme du fructose après une charge de fructose aiguë est bien établi. Toutefois, ce dernier est généralement étudié quand une consommation élevée de fructose est donnée. L'interaction du fructose avec d'autres macronutriments sur le métabolisme du fructose n'est pas connue. Nous voulions évaluer la modulation du métabolisme du fructose par des facteurs nutritionnels. Pour la première étude, nous avons abordé la question de savoir quel impact aurait une supplémentation en acides aminés essentiels (AEE) associé à une alimentation riche en fructose sur l'accumulation des graisses hépatiques. Nous avons essayé de distinguer les voies métaboliques responsables de l'augmentation des graisses hépatiques induite par l'alimentation riche en fructose et comment ces voies étaient modulées par les AEE. Après 6 jours d'une alimentation hypercalorique riche en fructose, nous avons observé, comme attendu, une augmentation des graisses hépatiques modulée par une augmentation des triglycérides-VLDL et une augmentation de la production de VLDL-13C-palmitate. Lors de la supplémentation en AEE, nous avons observé une diminution des graisses hépatiques mais les mécanismes responsables de ce processus n'ont pas pu être mis en évidence. Avec la seconde étude, nous nous sommes intéressés à observer le métabolisme du fructose après un repas test contenant des lipides, des protéines et une dose physiologique de fructose co-ingéré ou non avec du glucose. Lorsque le fructose était ingéré avec les autres macronutriments, le devenir hépatique du fructose était similaire à celui induit par du fructose pur. Il a induit une oxydation, suivie d'une néoglucogenèses, une synthèse de glycogène, une conversion en lactate et dans une moindre mesure une lipogenèse de novo. Lors de la co-ngestion avec du glucose, nous avons observé une diminution de l'oxydation du fructose et de la néoglucogenèse et une augmentation de la synthèse du glycogène, sans effet sur la lipogenèse de novo ni sur le lactate. Nous avons également pu mettre en évidence que le fructose et le fructose ingéré de façon conjointe avec du glucose ont induit une lipogenèse de novo au niveau de l'intestin. En résumé, la supplémentation en acides aminés essentiels a contrecarré l'augmentation de la teneur en graisse hépatique induite par une suralimentation en fructose sur le court terme. Cependant, la supplémentation en AEE a échoué à améliorer d'autres facteurs de risque cardiovasculaires. Dans la condition isocalorique et dans le cadre d'un repas test aiguë, la dose physiologique de fructose associée à d'autres macronutriments a conduit aux mêmes aboutissants du métabolisme du fructose que lorsque le fructose est ingéré seul. Lors de la co-ngestion avec le glucose, une diminution de l'oxydation du fructose est de la néoglucogenèse est observée en parallèle à une augmentation de la synthèse de glycogène sans affecter les autres voies métaboliques.

Effects of dietary protein type on oxidized cholesterol-induced alteration in age-related modulation of lipid metabolism and indices of immune function in rats.

Exogenous oxidized cholesterol disturbs both lipid metabolism and immune functions. Therefore, it may perturb these modulations with ageing. Effects of the dietary protein type on oxidized cholesterol-induced modulations of age-related changes in lipid metabolism and immune function was examined using differently aged (4 weeks versus 8 months) male Sprague-Dawley rats when casein, soybean protein or milk whey protein isolate (WPI) was the dietary protein source, respectively. The rats were given one of the three proteins in diet containing 0.2% oxidized cholesterols mixture. Soybean protein, as compared with the other two proteins, significantly lowered both the serum thiobarbituric acid reactive substances value and cholesterol, whereas it elevated the ratio of high density lipoprotein-cholesterol/cholesterol in young rats, but not in adult. Moreover, soybean protein, but not casein and WPI, suppressed the elevation of Delta6 desaturation indices of phospholipids in both liver and spleen, particularly in young. On the other hand, WPI, compared to the other two proteins, inhibited the leukotriene B4 production of spleen, irrespective of age. Soybean protein reduced the ratio of CD4(+)/CD8(+) T-cells in splenic lymphocytes. Therefore, the levels of immunoglobulin (Ig)A, IgE and IgG in serum were lowered in rats given soybean protein in both age groups except for IgA in adult, although these observations were not shown in rats given other proteins. Thus, various perturbations of lipid metabolism and immune function caused by oxidized cholesterol were modified depending on the type of dietary protein. The moderation by soybean protein on the change of lipid metabolism seems to be susceptible in young rats whose homeostatic ability is immature. These observations may be exerted through both the promotion of oxidized cholesterol excretion to feces and the change of hormonal release, while WPI may suppress the disturbance of immune function by oxidized cholesterol in both ages. This alleviation may be associated with a large amount of lactoglobulin in WPI. These results thus showed a possibility that oxidized cholesterol-induced perturbations of age-related changes of lipid metabolism and immune function can be moderated by both the selection and combination of dietary protein.

In Vivo Modulation of Mitochondrial Activity Determines HSC Engraftment and Post-Transplant Survival in Mice

Cellular metabolism is emerging as a potential fate determinant in cancer and stem cell biology, constituting a crucial regulator of the hematopoietic stem cell (HSC) pool [1-4]. The extremely low oxygen tension in the HSC microenvironment of the adult bone marrow forces HSCs into a low metabolic profile that is thought to enable their maintenance by protecting them from reactive oxygen species (ROS). Although HSC quiescence has for long been associated with low mitochondrial activity, as testified by the low rhodamine stain that marks primitive HSCs, we hypothesized that mitochondrial activation could be an HSC fate determinant in its own right. We thus set to investigate the implications of pharmacologically modulating mitochondrial activity during bone marrow transplantation, and have found that forcing mitochondrial activation in the post-transplant period dramatically increases survival. Specifically, we examined the mitochondrial content and activation profile of each murine hematopoietic stem and progenitor compartment. Long-term-HSCs (LT-HSC, Lin-cKit+Sca1+ (LKS) CD150+CD34-), short-term-HSCs (ST-HSC, LKS+150+34+), multipotent progenitors (MPPs, LKS+150-) and committed progenitors (PROG, Lin-cKit+Sca1-) display distinct mitochondrial profiles, with both mitochondrial content and activity increasing with differentiation. Indeed, we found that overall function of the hematopoietic progenitor and stem cell compartment can be resolved by mitochondrial activity alone, as illustrated by the fact that low mitochondrial activity LKS cells (TMRM low) can provide efficient long-term engraftment, while high mitochondrial activity LKS cells (TMRM high) cannot engraft in lethally irradiated mice. Moreover, low mitochondrial activity can equally predict efficiency of engraftment within the LT-HSC and ST-HSC compartments, opening the field to a novel method of discriminating a population of transitioning ST-HSCs that retain long-term engraftment capacity. Based on previous experience that a high-fat bone marrow microenvironment depletes short-term hematopoietic progenitors while conserving their long-term counterparts [5], we set to measure HSC mitochondrial activation in high-fat diet fed mice, known to decrease metabolic rate on a per cell basis through excess insulin/IGF-1 production. Congruently, we found lower mitochondrial activation as assessed by flow cytometry and RT-PCR analysis as well as a depletion of the short-term progenitor compartment in high fat versus control chow diet fed mice. We then tested the effects of a mitochondrial activator known to counteract the negative effects of high fat diet. We first analyzed the in vitro effect on HSC cell cycle kinetics, where no significant change in proliferation or division time was found. However, HSCs responded to the mitochondrial activator by increasing asynchrony, a behavior that is thought to directly correlate with asymmetric division [6]. As opposed to high-fat diet fed mice, mice fed with the mitochondrial activator showed an increase in ST-HSCs, while all the other hematopoietic compartments were comparable to mice fed on control diet. Given the dependency on short-term progenitors to rapidly reconstitute hematopoiesis following bone marrow transplantation, we tested the effect of pharmacological mitochondrial activation on the recovery of mice transplanted with a limiting HSC dose. Survival 3 weeks post-transplant was 80% in the treated group compared to 0% in the control group, as predicted by faster recovery of platelet and neutrophil counts. In conclusion, we have found that mitochondrial activation regulates the long-term to short-term HSC transition, unraveling mitochondrial modulation as a valuable drug target for post-transplant therapy. Identification of molecular pathways accountable for the metabolically mediated fate switch is currently ongoing.

Mise en oeuvre de protocoles spatiaux pour analyser la modulation de processus cognitifs en fonction de la dimension émotionnelle chez le rongeur

Résumé : Emotion et cognition sont deux termes généralement employés pour désigner des processus psychiques de nature opposée. C'est ainsi que les sciences cognitives se sont longtemps efforcées d'écarter la composante «chaude »des processus «froids »qu'elles visaient, si ce n'est pour montrer l'effet dévastateur de la première sur les seconds. Pourtant, les processus cognitifs (de collecte, maintien et utilisation d'information) et émotioAnels (d'activation subjective, physiologique et comportementale face à ce qui est attractif ou aversif) sont indissociables. Par l'approche neuro-éthologique, à l'interface entre le substrat biologique et les manifestations comportementales, nous nous sommes intéressés à une fonction cognitive essentielle, la fonction mnésique, classiquement exprimée chez le rongeur par l'orientation spatiale. Au niveau du substrat, McDonald et White (1993) ont montré la dissociation de trois systèmes de mémoire, avec les rôles de l'hippocampe, du néostriatum et de l'amygdale dans l'encodage des informations respectivement épisodiques, procédurales et émotionnelles. Nous nous sommes penchés sur l'interaction entre ces systèmes en fonction de la dimension émotionnelle par l'éclairage du comportement. L'état émotionnel de l'animal dépend de plusieurs facteurs, que nous avons tenté de contrôler indirectement en comparant leurs effets sur l'acquisition, dans diverses conditions, de la tâche de Morris (qui nécessite la localisation dans un bassin de la position d'une plate-forme submergée), ainsi que sur le style d'exploration de diverses arènes, ouvertes ou fermées, plus ou moins structurées par la présence de tunnels en plexiglas transparent. Nous avons d'abord exploré le rôle d'un composant du système adrénergique dans le rapport à la difficulté et au stress, à l'aide de souris knock-out pour le récepteur à la noradrénaline a-1 B dans un protocole avec 1 ou 4 points de départ dans un bassin partitionné. Ensuite, nous nous sommes penchés, chez le rat, sur les effets de renforcement intermittent dans différentes conditions expérimentales. Dans ces conditions, nous avons également tenté d'analyser en quoi la situation du but dans un paysage donné pouvait interférer avec les effets de certaines formes de stress. Finalement, nous avons interrogé les conséquences de perturbations passées, y compris le renforcement partiel, sur l'organisation des déplacements sur sol sec. Nos résultats montrent la nécessité, pour les souris cont~ô/es dont l'orientation repose sur l'hippocampe, de pouvoir varier les trajectoires, ce qui favoriserait la constitution d'une carte cognitive. Les souris a->B KO s'avèrent plus sensibles au stress et capables de bénéficier de la condition de route qui permet des réponses simples et automatisées, sous-tendues par l'activité du striatum. Chez les rats en bassin 100% renforcé, l'orientation apparaît basée sur l'hippocampe, relayée par le striatum pour le développement d'approches systématiques et rapides, avec réorientation efficace en nouvelle position par réactivation dépendant de l'hippocampe. A 50% de renforcement, on observe un effet du type de déroulement des sessions, transitoirement atténué par la motivation Lorsque les essais s'enchaînent sans pause intrasession, les latences diminuent régulièrement, ce qui suggère une prise en charge possible par des routines S-R dépendant du striatum. L'organisation des mouvements exploratoires apparaît dépendante du niveau d'insécurité, avec différents profils intermédiaires entre la différentiation maximale et la thigmotaxie, qui peuvent être mis en relation avec différents niveaux d'efficacité de l'hippocampe. Ainsi, notre travail encourage à la prise en compte de la dimension émotionnelle comme modulatrice du traitement d'information, tant en phase d'exploration de l'environnement que d'exploitation des connaissances spatiales. Abstract : Emotion and cognition are terms widely used to refer to opposite mental processes. Hence, cognitive science research has for a long time pushed "hot" components away from "cool" targeted processes, except for assessing devastating effects of the former upon the latter. However, cognitive processes (of information collection, preservation, and utilization) and emotional processes (of subjective, physiological, and behavioral activation roue to attraction or aversion) are inseparable. At the crossing between biological substrate and behavioral expression, we studied a chief cognitive function, memory, classically shown in animals through spatial orientation. At the substrate level, McDonald et White (1993) have shown a dissociation between three memory systems, with the hippocampus, neostriatum, and amygdala, encoding respectively episodic, habit, and emotional information. Through the behavior of laboratory rodents, we targeted the interaction between those systems and the emotional axis. The emotional state of an animal depends on different factors, that we tried to check in a roundabout way by the comparison of their effects on acquisition, in a variety of conditions, of the Morris task (in which the location of a hidden platform in a pool is required), as well as on the exploration profile in different apparatus, open-field and closed mazes, more or less organized by clear Plexiglas tunnels. We first tracked the role, under more or less difficult and stressful conditions, of an adrenergic component, with knock-out mice for the a-1 B receptor in a partitioned water maze with 1 or 4 start positions. With rats, we looked for the consequences of partial reinforcement in the water maze in different experimental conditions. In those conditions, we further analyzed how the situation of the goal in the landscape could interfere with the effect of a given stress. At last, we conducted experiments on solid ground, in an open-field and in radial mazes, in order to analyze the organization of spatial behavior following an aversive life event, such as partial reinforcement training in the water maze. Our results emphasize the reliance of normal mice to be able to vary approach trajectories. One of our leading hypotheses is that such strategies are hippocampus-dependent and are best developed for of a "cognitive map like" representation. Alpha-1 B KO mice appear more sensitive to stress and able to take advantage of the route condition allowing simple and automated responses, most likely striatum based. With rats in 100% reinforced water maze, the orientation strategy is predominantly hippocampus dependent (as illustrated by the impairment induced by lesions of this structure) and becomes progressively striatum dependent for the development of systematic and fast successful approaches. Training towards a new platform position requires a hippocampus based strategy. With a 50% reinforcement rate, we found a clear impairment related to intersession disruption, an effect transitorily minimized by motivation enhancement (cold water). When trials are given without intrasession interruption, latencies consistently diminish, suggesting a possibility for striatum dependent stimulus-response routine to occur. The organization of exploratory movements is shown to depend on the level of subjective security, with different intermediary profiles between maximum differentiation and thigmotaxy, which can be considered in parallel with different efficiency levels of the hippocampus dependent strategies. Thus, our work fosters the consideration of emotion as a cognitive treatment modulator, during spatial exploration as well as spatial learning. It leads to a model in which the predominance of hippocampus based exploration is challenged by training conditions of various nature.

Modulation of phosphorylation of neuronal cytoskeletal proteins by neuronal depolarization.

1. The neuronal cytoskeletal protein tau and the carboxy tails of cytoskeletal proteins neurofilament-M (NF-M) and neurofilament-H (NF-H) are phosphorylated on serine residues by the cyclin-dependent kinase cdk-5. 2. In aggregating neuronal-glial cultures we show that veratridine-mediated cation influx causes dephosphorylation of tau, NF-M and NF-H. Dephosphorylation was blocked specifically by cyclosporine A but not by okadiac acid at concentrations up to 200 nM. 3. These results suggest that veratridine-triggered cation influx causes activation of PP-2B (calcineurin) leading to dephosphorylation of these cytoskeletal proteins.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.