Aggregating Brain Cell Cultures as a Model to Study Ischaemia-induced Neurodegeneration.

Rotation-mediated aggregating brain cell cultures at two different maturational stages (DIV 11 and DIV 20) were subjected for 1 or 2 hours to ischaemic conditions by transient immobilization (arrest of media circulation). During recovery, cell damage was evaluated by measuring changes in cell type-specific enzyme activities and total protein content. It was found that in immature cultures (DIV 11), immobilization for 1 or 2 hours did not affect the parameters measured. By contrast, at DIV 20, ischaemic conditions for 1 hour caused a pronounced decrease in the activities of glutamic acid decarboxylase and choline acetyltransferase. A significant decrease in these neuron-specific enzyme activities was found at post-ischaemic days 1-14, indicating immediate and irreversible neuronal damage. The activity of the astrocyte-specific enzyme, glutamine synthetase, was significantly increased at 4 days post-treatment; equal to control values at 6 days; and significantly decreased at 14 days after the ischaemic insult. Immobilization of DIV 20 cultures for 2 hours caused a drastic reduction in all the parameters measured at post-ischaemic day 6. Generally, the ischaemic conditions appeared to be more detrimental to neurons than to astrocytes, and GABAergic neurons were more affected than cholinergic neurons.

Differentiation of rat striatal embryonic stem cells in vitro: monolayer culture vs. three-dimensional coculture with differentiated brain cells.

Several groups have demonstrated the existence of self-renewing stem cells in embryonic and adult mouse brain. In vitro, these cells proliferate in response to epidermal growth factor, forming clusters of nestin-positive cells that may be dissociated and subcultured repetitively. Here we show that, in stem cell clusters derived from rat embryonic striatum, cell proliferation decreased with increasing number of passages and in response to elevated concentrations of potassium (30 mM KCl). In monolayer culture, the appearance of microtubule-associated protein type-5-immunoreactive (MAP-5(+)) cells (presumptive neurons) in response to basic fibroblast growth factor (bFGF) was reduced at low cell density and with increasing number of passages. In the presence of bFGF, elevated potassium caused a more differentiated neuronal phenotype, characterized by an increased proportion of MAP-5(+) cells, extensive neuritic branching, and higher specific activity of glutamic acid decarboxylase. Dissociated stem cells were able to invade cultured brain cell aggregates containing different proportions of neurons and glial cells, whereas they required the presence of a considerable proportion of glial cells in the host cultures to become neurofilament H-positive. The latter observation supports the view that astrocyte-derived factors influence early differentiation of the neuronal cell lineage.

Separate neuronal and glial Na+,K+-ATPase isoforms regulate glucose utilization in response to membrane depolarization and elevated extracellular potassium.

The role of cell type-specific Na+,K+-ATPase isozymes in function-related glucose metabolism was studied using differentiated rat brain cell aggregate cultures. In mixed neuron-glia cultures, glucose utilization, determined by measuring the rate of radiolabeled 2-deoxyglucose accumulation, was markedly stimulated by the voltage-dependent sodium channel agonist veratridine (0.75 micromol/L), as well as by glutamate (100 micromol/L) and the ionotropic glutamate receptor agonist N-methyl-D-aspartate (NMDA) (10 micromol/L). Significant stimulation also was elicited by elevated extracellular potassium (12 mmol/L KCl), which was even more pronounced at 30 mmol/L KCl. In neuron-enriched cultures, a similar stimulation of glucose utilization was obtained with veratridine, specific ionotropic glutamate receptor agonists, and 30 mmol/L but not 12 mmol/L KCl. The effects of veratridine, glutamate, and NMDA were blocked by specific antagonists (tetrodotoxin, CNQX, or MK801, respectively). Low concentrations of ouabain (10(-6) mol/L) prevented stimulation by the depolarizing agents but reduced only partially the response to 12 mmol/L KCl. Together with previous data showing cell type-specific expression of Na+,K+-ATPase subunit isoforms in these cultures, the current results support the view that distinct isoforms of Na+,K+-ATPase regulate glucose utilization in neurons in response to membrane depolarization, and in glial cells in response to elevated extracellular potassium.

Muscimol-induced death of GABAergic neurons in rat brain aggregating cell cultures.

During brain development, spontaneous neuronal activity has been shown to play a crucial role in the maturation of neuronal circuitries. Activity-related signals may cause selective neuronal cell death and/or rearrangement of neuronal connectivity. To study the effects of sustained inhibitory activity on developing inhibitory (GABAergic) neurons, three-dimensional primary cell cultures of fetal rat telencephalon were used. In relatively immature cultures, muscimol (10 microns), a GABAA receptor agonist, induced a transient increase in apoptotic cell death, as evidenced by a cycloheximide-sensitive increase of free nucleosomes and an increased frequency of DNA double strand breaks (TUNEL labeling). Furthermore, muscimol caused an irreversible reduction of glutamic acid decarboxylase activity, indicating a loss of GABAergic neurons. The muscimol-induced death of GABAergic neurons was attenuated by the GABAA receptor blockers bicuculline (100 microns) and picrotoxin (100 microns), by depolarizing potassium concentrations (30 mM KCl) and by the L-type calcium channel activator BAY K8644 (2 microns). As compared to the cholinergic marker (choline acetyltransferase activity), glutamic acid decarboxylase activity was significantly more affected by various agents known to inhibit neuronal activity, including tetrodotoxin (1 micron), flunarizine (5 microns), MK 801 (50 microns) and propofol (40 microns). The present results suggest that the survival of a subpopulation of immature GABAergic neurons is dependent on sustained neuronal activity and that these neurons may undergo apoptotic cell death in response to GABAA autoreceptor activation.

Comparing Multilevel Clustering Methods on Weighted Graphs : The Case of Worldwide Air Passenger Traffic 2000-2004

Specific properties emerge from the structure of large networks, such as that of worldwide air traffic, including a highly hierarchical node structure and multi-level small world sub-groups that strongly influence future dynamics. We have developed clustering methods to understand the form of these structures, to identify structural properties, and to evaluate the effects of these properties. Graph clustering methods are often constructed from different components: a metric, a clustering index, and a modularity measure to assess the quality of a clustering method. To understand the impact of each of these components on the clustering method, we explore and compare different combinations. These different combinations are used to compare multilevel clustering methods to delineate the effects of geographical distance, hubs, network densities, and bridges on worldwide air passenger traffic. The ultimate goal of this methodological research is to demonstrate evidence of combined effects in the development of an air traffic network. In fact, the network can be divided into different levels of âeurooecohesionâeuro, which can be qualified and measured by comparative studies (Newman, 2002; Guimera et al., 2005; Sales-Pardo et al., 2007).

Selective neurodegeneration induced in rotation-mediated aggregate cell cultures by a transient switch to stationary culture conditions: a potential model to study ischemia-related pathogenic mechanisms.

Aggregating brain cell cultures at an advanced maturational stage (20-21 days in vitro) were subjected for 1-3 h to anaerobic (hypoxic) and/or stationary (ischemic) conditions. After restoration of the normal culture conditions, cell loss was estimated by measuring the release of lactate dehydrogenase as well as the irreversible decrease of cell type-specific enzyme activities, total protein and DNA content. Ischemia for 2 h induced significant neuronal cell death. Hypoxia combined with ischemia affected both neuronal and glial cells to different degrees (GABAergic neurons>cholinergic neurons>astrocytes). Hypoxic and ischemic conditions greatly stimulated the uptake of 2-deoxy-D-glucose, indicating increased glucose consumption. Furthermore, glucose restriction (5.5 mM instead of 25 mM) dramatically increased the susceptibility of neuronal and glial cells to hypoxic and ischemic conditions. Glucose media concentrations below 2 mM caused selective neuronal cell death in otherwise normal culture conditions. GABAergic neurons showed a particularly high sensitivity to glucose restriction, hypoxia, and ischemia. The pattern of ischemia-induced changes in vitro showed many similarities to in vivo findings, suggesting that aggregating brain cell cultures provide a useful in vitro model to study pathogenic mechanisms related to brain ischemia.

Petrology and chemistry of the Chalten Plutonic Complex and implications on the magmatic and tectonic evolution of the Southernmost Andes (Patagonia) during the Miocene

Résumé Scientific:Pétrologie et Géochimie du Complexe Plutonique de Chaltén et les conséquences pour l'évolution magmatique et tectonique du Andes du Sud (Patagonia) pendant le MiocèneLe sujet de cette thèse est le Complexe Plutonique de Chaltén (CHPC), situé à la frontière entre le Chili et l'Argentine, en Patagonie (49°15'S). Ce complexe s'est mis en place au début du Miocène, dans un contexte de changements tectoniques importants. La géométrie et la vitesse de migration des plaques en Patagonie a été modifiée suite l'ouverture de la plaque Farallon il y a 25Ma (Pardo-Casas and Molnar 1987) et la subduction de la ride active du Chili sous la plaque sud-américaine il y a 14Ma (Cande and Leslie 1986). Les effets de cette reconfiguration tectonique sur la morphologie et le magmatisme de la plaque supérieure sont encore sujets à discussion. Dans ce contexte, un groupe d'intrusions miocènes - telle que le CHPC - est particulièrement intriguant, car en position transitionnelle entre le batholithe patagonien et l'arc volcanique cénozoïque et récent à l'ouest, et les laves de plateau de Patagonie à l'est (Fig. 1). A cause de leur position tectonique transitoire, ces plutons isolés hors du batholithe représentent un endroit clé pour comprendre les interactions entre la tectonique à large échelle et le magmatisme en Patagonie. Ici, je présente de nouvelles données de terrain, petrologiques, géochimiques et géochronologiques dans le but de caractériser la nature du CHPC, qui était largement inconnu avant cette étude, dans le but de tester l'hypothèse de migration de l'arc et erosion par subduction.Les résultats de l'investigation géochimique (chapitre 2) montrent que le CHPC n'est qu'un exemple parmi les plutons isolés d'arrière arc ave une composition calco-alcaline caractéristique, c-à-d une signature d'arc. La plupart de ces plutons isolés ont une composition alcaline. Le CHPC, contrairement, a une signature calco-alcaline avec Κ intermédiaire, tel que le batholithe patagonien et la plupart des roches volcaniques quaternaires liées à l'arc le long des Andes.De nouvelles données géochronologiques U-Pb de haute précision sur des zircons, acquis par TIMS, sur le CHPC donnent des âges entre 17.0 et 16.4Ma. Les âges absolus sont en accord avec la séquence intrusive déduite des relations de terrain (chapitre 1). Ces données sont les premières contraintes d'âge U-Pb sur le CHPC. Elles montrent clairement que l'histoire magmatique du CHPC n'a pas de lien direct avec la subduction de la ride à cette latitude (Cande and Leslie 1986), car le complexe est au moins 6Ma plus ancien.Une comparaison en profondeur avec les autres intrusions d'âge Miocène en Patagonie révèlent - pour la première fois - une évolution temporelle intéressante. Il y a une tendance E-W distincte au magmatisme calco-alcalin entre 20-16Ma avec une diminution de l'âge vers l'est - le CHPC est l'expression la plus orientale de cette tendance. Je suggère que la relation espace-temps reflète une migration vers l'est (vers le continent) de l'arc magmatique. Je propose que le facteur principal contrôlant cette migration est la subduction rapide suite à la reconfiguration de la vitesse des plaques tectoniques après l'ouverture la plaque Farallon (à ~26Ma) qui résulterait en une déformation importante ainsi qu'à des taux élevés d'érosion dans la fosse de subduction.Les rapports d'isotopes radiogéniques (Pb, Sr, Nd) élevés, une signature 6018 basse et un rapport Th/La élevé sont des paramètres distinctifs pour les roches mafiques du CHPC. Le modèle isotopique présenté (chapitre 2) suggère que cette signature reflète une contamination de la source, dans le coin de manteau, plutôt qu'une contamination crustale. La signature des éléments en trace du CHPC indiquent que le coin de manteau a été contaminé par des composés terrigènes, le plus vraisemblablement par des sédiments paléozoïques.Les travaux de terrain, la pétrographie et la géothermobarométrie ont été utilisés dans le but de comprendre l'histoire interne du CHPC (chapitre 3). Ces données suggèrent deux niveaux distincts de cristallisation : l'un dans la croûte moyenne (6 à 4.5kbar) et l'autre à un niveau peu profond (3.5 à 2kbar). La modélisation isotopique AFC de la contamination crustale indique des taux variables d'assimilation, qui ne sont pas corrélés avec le degré de différenciation. Cela suggère que différents volumes de magma se sont différenciés en profondeur, de façon indépendante. Cela implique que le CHPC se serait formés en plusieurs puises de magmas provenant d'au moins trois sources différentes. Les textures des granodiorites et des granites indiquent des teneurs élevées en cristaux avant la mise en place et, par conséquent, des températures d'emplacement faibles. Les observations de terrain montrent que les roches mafiques sont déformées, alors que ce n'est pas le cas pour les granodiorites et granites (plus jeunes). La déformation des roches mafiques est encore sujet de recherche, afin de savoir si elle est liée à la déformation régionale en régime compressif ou à l'emplacement lui-même. Cependant, la mise en place de grand volume de magma felsique riche en cristaux suggère un régime d'extension.Scientific Abstract:Petrology and chemistry of the Chaltén Plutonic Complex and implications on the magmatic and tectonic evolution of the Southernmost Andes (Patagonia) during the MioceneThe subject of this thesis is the Chaltén Plutonic Complex (CHPC) located at the frontier between Chile and Argentina in Patagonia (at 49° 15 'Southern latitude). This complex intruded during early Miocene in a context of major tectonics changes. The plate geometry of Patagonia has been modified by changes in the plate motions after the break up of the Farallôn plate at 25Ma (Pardo-Casas and Molnar 1987) and by the subduction of the Chile spreading Ridge beneath South-America at 14 Ma (Cande and Leslie 1986). The effects of this tectonic setting on the morphology and the magmatism of the overriding plate are a matter of on-going discussion. Particularly intriguing in this context is a group of isolated Miocene intrusions - like the CHPC - which are located in a transitional position between the Patagonian Batholith and the Cenozoic and Recent volcanic arc in the West, and the Patagonian plateau lavas in the East (Fig. 1). Due to their transient tectonic position these isolated plutons outside the batholith represent a key to understanding the interaction between global-scale tectonics and magmatism in Patagonia. Here, I present new field, penological, geochemical and geochronological data to characterize the nature of the CHPC, which was largely unknown before this study, in order to test the hypothesis of time- transgressive magmatism.The results of the geochemical investigation (Chapter 2) show that the CHPC is only one among these isolated back-arc plutons with a characteristic calc-alkaline composition, i.e. arc signature. Most of these isolated intrusives have an alkaline character. The CHPC, in contrast, has a medium Κ calc-alkaline signature, like the Patagonian batholith and most of the Quaternary arc-related volcanic rocks along the Andes.New high precision TIMS U-Pb zircon dating of the CHPC yield ages between 17.0 to 16.4 Ma. The absolute ages support the sequence of intrusion relations established in the field (Chapter 1). These data are the first U-Pb age constraints on the CHPC, and clearly show that the magmatic history of CHPC has no direct link to the subduction of the ridge, since this complex is at least 6 Ma older than the time of collision of the Chile ridge at this latitude (Cande and Leslie 1986).An in-depth comparison with other intrusion of Miocene age in Patagonia reveals - for the first time - an interesting temporal pattern. There is a distinct E-W trend of calc-alkaline magmatism between 20-16 Ma with the younging of ages in the East - the CHPC is the easternmost expression of this trend. I suggest that this time-space relation reflects an eastward (landward) migration of the magmatic arc. I propose that main factor controlling this migration is the fast rates of subduction after the major reconfigurations of the plate tectonic motions after the break up of the Farallôn Plate (at -26 ) resulting in strong deformation and high rates of subduction erosion.High radiogenic isotope ratios (Pb, Sr, Nd) ratios, low 5018 signature and high Th/La ratios in mafic rocks are distinctive features of the CHPC. The presented isotopic models (Chapter 2) suggest that this signature reflects source contamination of the mantle wedge rather than crustal contamination. The trace element signature of the CHPC indicates that the mantle wedge was contaminated with a terrigenous component, most likely from Paleozoic sediments.Fieldwork, petrography and geothermobarometry were used to further unravel the internal history of the CHPC (Chapter 3). These data suggest two main levels of crystallization: one a mid crustal levels (6 to 4.5 kbar) and other a shallow level (3.5 to 2 kbar). Isotopic AFC modeling of crustal contamination indicate variable rates of assimilation, which are not correlated with the degree of differentiation. This suggests that different batches of magma differentiate independently at depths. This implies that the CHPC would have formed by several pulses of magmas from at least 3 different sources. Textures of granodiorites and granites indicate a high content of crystals previous to the emplacement and consequently low emplacement temperatures. Field observations show that the mafic rocks are deformed, whereas the (younger) granodiorites and granites are not. It is still subject of investigation whether the deformation of the mafic rocks is related to regional deformation during a compressional regime or to the emplacement it self. However, the emplacement of huge amount of crystal rich felsic magmas suggests an extensional regime.Résumé Grand PublicPétrologie et Géochimie du Complexe Plutonique de Chaltén et les conséquences pour l'évolution magmatique et tectonique du Andes du Sud (Patagonia) pendant le MiocèneLe Complexe Plutonique de Chaltén (CHPC) est un massif montagneux situé à 49°S à la frontière entre le Chili et l'Argentine, en Patagonie (région la plus au sud de l'Amérique du Sud). Il est composé de montagnes qui peuvent atteindre plus de 3000 mètres d'altitude, telles que le Cerro Fitz Roy (3400m) et le Cerro Torre (3100m). Ces montagnes sont composées de roches plutoniques, c.-à-d. des magmas qui se sont refroidis et ont cristallisés sous la surface terrestre.La composition chimique de ces roches montre que les magmas, qui ont formé ce complexe plutonique, font partie d'un volcanisme d'arc. Celui-ci se forme lorsqu'une plaque océanique plonge sous une plaque continentale. Les géologues appellent ce processus « subduction ». Dans un tel scénario, le manteau terrestre, qui se fait prendre entre ces deux plaques, fond pour former ainsi du magma. Ce magma remonte à travers la plaque continentale vers la surface. Si celui-ci atteint la surface, il forme les roches volcaniques, comme par exemple des laves. S'il n'atteint pas la surface, le magma se refroidit pour former finalement les roches plutoniques.Le long de la marge ouest d'Amérique du Sud, la plaque Nazca - qui se situe au sud-est de la plaque océanique pacifique - passe en dessous de la plaque d'Amérique du Sud. La bordure ouest du sud de la plaque sud-américaine a également été affectée par d'autres processus tectoniques, tels que des changements dramatiques dans les déplacements de plaques (il y a 25Ma) et la collision de la ride du Chili (depuis 15 Ma jusqu'à aujourd'hui). Ces caractéristiques tectoniques et magmatiques font de cette région un haut lieu pour les géologues. La plaque Nazca, s'est formée suite à l'ouverture d'une plaque océanique plus ancienne, il y a 25Ma. Cette ouverture est liée aux vitesses de subduction les plus rapides jamais connues. La ride du Chili est l'endroit où le sol de l'Océan Pacifique s'ouvre, formant deux plaques océaniques : les plaques Nazca et Antarctique. La ride du Chili subducte sous la plaque sud-américaine depuis 15Ma, en association avec la formation de grands volumes de magma ainsi que des changements morphologiques importants. La question de savoir lequel de ces changements tectoniques globaux affecte la géologie et la géographie de Patagonie a été, et est encore, discutée pendant de nombreuses années. De nombreux chercheurs suggèrent que la plupart des caractéristiques morphologiques et magmatiques en Patagonie sont liés à la subduction de la ride du Chili, mais cette suggestion est encore débattue comme le montre notre étude.Le batholithe de Patagonie du sud (SPB) est un énorme massif composé de roches plutoniques et il s'étend tout au long de la côte ouest de Patagonie (au sud de 47°S). Ces roches correspondent certainement aux racines d'un ancien arc volcanique, qui a été soulevé et érodé. Le CHPC, ainsi que d'autres petites intrusions dans la région, se situe dans une position exotique, à 100km à l'est du SPB. Certains chercheurs suggèrent que ces intrusions pourraient être liées à la subduction de la ride du Chili.Afin de débattre de cette problématique, nous avons utilisé différentes méthodes géochronologiques pour déterminer l'âge du CHPC et le comparer (a) à l'âge des roches intrusives similaires du SPB et (b) à l'âge de la collision de la ride du Chili. Dans ce travail, nous prouvons que le CHPC s'est formé au moins 7Ma avant la collision avec la ride du Chili. Sur la base des âges du CHPC et de la composition chimique de ses roches et minéraux, nous proposons que le CHPC fait partie d'un arc volcanique ancien. La migration de l'arc volcanique plus profondément dans le continent résulte de la grande vitesse de subduction entre 25 et lOMa. Des caractéristiques évidentes pour un tel processus - telles qu'une déformation importante et une vitesse d'érosion élevée - peuvent être rencontrées tout au long de la bordure ouest de l'Amérique du sud.