Prolonged Period of Cortical Plasticity upon Redox Dysregulation in Fast-Spiking Interneurons.

BACKGROUND: Oxidative stress and the specific impairment of perisomatic gamma-aminobutyric acid circuits are hallmarks of the schizophrenic brain and its animal models. Proper maturation of these fast-spiking inhibitory interneurons normally defines critical periods of experience-dependent cortical plasticity. METHODS: Here, we linked these processes by genetically inducing a redox dysregulation restricted to such parvalbumin-positive cells and examined the impact on critical period plasticity using the visual system as a model (3-6 mice/group). RESULTS: Oxidative stress was accompanied by a significant loss of perineuronal nets, which normally enwrap mature fast-spiking cells to limit adult plasticity. Accordingly, the neocortex remained plastic even beyond the peak of its natural critical period. These effects were not seen when redox dysregulation was targeted in excitatory principal cells. CONCLUSIONS: A cell-specific regulation of redox state thus balances plasticity and stability of cortical networks. Mistimed developmental trajectories of brain plasticity may underlie, in part, the pathophysiology of mental illness. Such prolonged developmental plasticity may, in turn, offer a therapeutic opportunity for cognitive interventions targeting brain plasticity in schizophrenia.

Micrornas involvement in cortical plasticity in adult mouse barrel cortex

In rodents, sensory experience alters the whisker representation in layer IV of the barrel cortex (Woolsey and Van der Loos, 1970). Excitatory and inhibitory interneurons, together with the astrocytic network, modify the functional representation in an integrated manner. Our group showed that continuous whisker stimulation induces structural and functional changes in the corresponding barrel. These modifications include the depression of neuronal responses and an insertion of new inhibitory synapses on dendritic spines (Knott et al., 2002; Genoud et al., 2006; Quairiaux et al., 2007). This form of cortical plasticity is controlled by several gene regulatory mechanisms including the activation of genetic programs controlling the expression of microRNAs (miRNAs). The transitory and localized expression of miRNAs in dendrites and their capacity to respond in an activity-dependent manner make them ideal candidates for the fine tuning of gene expression associated with neural plasticity. In a previous study of our group (Johnston- Wenger, 2010) using microarray analysis on laser-dissected barrels in order to compare the gene expression levels in stimulated and non-stimulated barrels after whisker stimulation, 261 genes were found significantly regulated, among these genes there were two miRNAs (miR- 132 and miR-137). In this study I tested the initial observation on the up-regulation of miR-132 and miR-137 after whisker stimulation and the possible involvement of two other miRNAs (miR-138 and miR-125b) that are known play a role in other form of synaptic plasticity. I used in situ hybridization (ISH) after unilateral stimulation of three whiskers (Cl-3) in the adult mouse. We found that sensory stimulation increases the expression, of miR-132 after 3hours of stimulation (p<0.01) and miR-137 (pO.Ol; 24 hrs of stim.), whereas it reduces the level of miR-125b (pO.Ol; 9 hrs of stim.). No significant difference was detected for miR-138. We further determined a correlation between the level of expression of the four selected miRNAs in the cortical barrels (measured by ISH) and in blood plasma (measured by qPCR). In addition to this quantitative comparison, we combined miRNAs ISH and immunolabeling for various neuronal markers that were chosen for the localization in both excitatory and inhibitory circuits as well as in astrocytes. Analysis of three-dimensional confocal acquisitions showed that stimulation alters significantly the degree of co-localization in the stimulated barrel of miR-132 with GAD65/67 and VGLUT2; miR-125b with GAD65/67 and parvalbumin; miR-138 with parvalbumin, VGLUT1 and PSD95; and miR-137 with VGLUT1 and astrocytic markers (GS; GFAP and SlOOß). To conclude, using increased neuronal activity in the whisker-to-barrel pathway; our results suggest that miRNAs can be regulated in an activity-dependent manner and they may regulate local mRNA translation to shape neuronal responses. These findings motivate further investigation of the different modes in which miRNAs may regulate cortical plasticity. -- Chez les rongeurs, l'expérience sensorielle modifie la représentation des vibrisses au niveau du cortex somatosensoriel primaire (Woolsey and Van der Loos, 1970). Les interneurones excitateurs et inhibiteurs, en collaboration avec le réseau astrocytaire, modifient la représentation fonctionnelle d'une manière intégrée. Notre groupe a montré que la stimulation continue des vibrisses induit des changements structuraux et fonctionnels dans le tonneau correspondant. Ces modifications incluent la dépression des réponses neuronales et une insertion de nouvelles synapses inhibitrices sur les épines dendritiques (Knott et al., 2002 ; Genoud et al., 2006 ; Quairiaux et al., 2007). Cette forme de plasticité corticale est contrôlée par plusieurs mécanismes de régulation génique dont l'activation des programmes géniques contrôlant l'expression des microARNs (miARNs). Par leur expression transitoire et localisée dans les dendrites et leur capacité à réagir d'une manière dépendante de l'activité, les miARNs sont des candidats idéaux pour le réglage fin de l'expression des gènes associée à la plasticité neuronale. Afin de comparer le niveau d'expression des gènes dans les tonneaux stimulés et non-stimulés après stimulation des vibrisses, une étude antérieure dans notre groupe (Johnston-Wenger, 2010), utilisant l'analyse par microarray sur des tonneaux disséqués par laser, a montré l'altération significative de 261 gènes. Parmi ces gènes, il y avait deux miARNs (miR-132 et miR-137). Dans la présente étude, j'ai testé l'observation initiale sur la régulation de miR-132 et miR-137 après stimulation des vibrisses et la possible implication de deux autres miARNs (miR-138 et miR-125b) connus avoir jouer un rôle important dans d'autres formes de plasticité synaptique. J'ai utilisé l'hybridation in situ (ISH) après stimulation unilatérale de trois vibrisses (Cl-3) chez la souris adulte. J'ai trouvé que la stimulation sensorielle augmente l'expression, de miR-132 après 3 heures de stimulation (p < 0.01) et miR-137 (p < 0.01 ; 24 hrs de stim.), alors qu'elle réduit le niveau de miR-125b (p < 0.01; 9 hrs de stim.). Aucune différence significative n'a été détectée pour miR-138. J'ai aussi déterminé une corrélation entre le niveau d'expression des quatre miARNs sélectionnés dans les tonneaux (mesurés par ISH) et dans le plasma sanguin (mesuré par qPCR). En plus de cette comparaison quantitative, j'ai combiné le miR-ISH et l'immunomarquage pour divers marqueurs neuronaux qui ont été choisis pour étudier la localisation dans les circuits excitateurs et inhibiteurs, ainsi que dans les astrocytes. Les acquisitions tridimensionnelles montrent que la stimulation modifie considérablement le degré de co-localisation dans le tonneau stimulé de miR-132 avec GAD65/67 et VGLUT2; miR-125b avec GAD65/67 et parvalbumine; miR-138 avec parvalbumine, VGLUT1 et PSD95; et miR-137 avec VGLUT1 et les marqueurs astrocytaires (GS ; GFAP et SlOOß). En conclusion, à l'aide de l'activité neuronale accrue dans la voie de vibrisses-au-baril; les résultats suggèrent que les miARNs peuvent être régulé d'une manière dépendante de l'activité et peuvent résulter la stabilité des ARNm et la traduction pour façonner les réponses neuronales ultérieures. Ces résultats incitent d'investiguer davantage les voies importantes par lesquels les miARNs peuvent réguler la plasticité corticale.

Doublecortin-positive cells in the adult primate cerebral cortex and possible role in brain plasticity and development.

We have demonstrated that cortical cell autografts might be a useful therapy in two monkey models of neurological disease: motor cortex lesion and Parkinson's disease. However, the origin of the useful transplanted cells obtained from cortical biopsies is not clear. In this report we describe the expression of doublecortin (DCX) in these cells based on reverse-transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and immunodetection in the adult primate cortex and cell cultures. The results showed that DCX-positive cells were present in the whole primate cerebral cortex and also expressed glial and/or neuronal markers such as glial fibrillary protein (GFAP) or neuronal nuclei (NeuN). We also demonstrated that only DCX/GFAP positive cells were able to proliferate and originate progenitor cells in vitro. We hypothesize that these DCX-positive cells in vivo have a role in cortical plasticity and brain reaction to injury. Moreover, in vitro these DCX-positive cells have the potential to reacquire progenitor characteristics that confirm their potential for brain repair.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Imaging of experience-dependent structural plasticity in the mouse neocortex in vivo

The functionality of adult neocortical circuits can be altered by novel experiences or learning. This functional plasticity appears to rely on changes in the strength of neuronal connections that were established during development. Here we will describe some of our studies in which we have addressed whether structural changes, including the remodeling of axons and dendrites with synapse formation and elimination, could underlie experience-dependent plasticity in the adult neocortex. Using 2-photon laser-scanning microscopes and transgenic mice expressing GFP in a subset of pyramidal cells, we have observed that a small subset of dendritic spines continuously appear and disappear on a daily basis, whereas the majority of spines persists for months. Axonal boutons from different neuronal classes displayed similar behavior, although the extent of remodeling varied. Under baseline conditions, new spines in the barrel cortex were mostly transient and rarely survived for more than a week. However, when every other whisker was trimmed, the generation and loss of persistent spines was enhanced. Ultrastructural reconstruction of previously imaged spines and boutons showed that new spines slowly form synapses. New spines persisting for a few days always had synapses, whereas very young spines often lacked synapses. New synapses were predominantly found on large, multi-synapse boutons, suggesting that spine growth is followed by synapse formation, preferentially on existing boutons. Altogether our data indicate that novel sensory experience drives the stabilization of new spines on subclasses of cortical neurons and promotes the formation of new synapses. These synaptic changes likely underlie experience-dependent functional remodeling of specific neocortical circuits.

Brain-derived neurotrophic factor enhances the expression of the monocarboxylate transporter 2 through translational activation in mouse cultured cortical neurons.

MCT2 is the predominant neuronal monocarboxylate transporter allowing lactate use as an alternative energy substrate. It is suggested that MCT2 is upregulated to meet enhanced energy demands after modifications in synaptic transmission. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a promoter of synaptic plasticity, significantly increased MCT2 protein expression in cultured cortical neurons (as shown by immunocytochemistry and western blot) through a translational regulation at the synaptic level. Brain-derived neurotrophic factor can cause translational activation through different signaling pathways. Western blot analyses showed that p44/p42 mitogen-activated protein kinase (MAPK), Akt, and S6 were strongly phosphorylated on BDNF treatment. To determine by which signal transduction pathway(s) BDNF mediates its upregulation of MCT2 protein expression, the effect of specific inhibitors for p38 MAPK, phosphoinositide 3-kinase (PI3K), mammalian target of rapamycin (mTOR), mitogen-activated protein kinase (MAPK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) kinase (MEK), p44/p42 MAPK (ERK), and Janus kinase 2 (JAK2) was evaluated. It could be observed that the BDNF-induced increase in MCT2 protein expression was almost completely blocked by all inhibitors, except for JAK2. These data indicate that BDNF induces an increase in neuronal MCT2 protein expression by a mechanism involving a concomitant stimulation of PI3K/Akt/mTOR/S6, p38 MAPK, and p44/p42 MAPK. Moreover, our observations suggest that changes in MCT2 expression could participate in the process of synaptic plasticity induced by BDNF.

Roles of mGluR5 in synaptic function and plasticity of the mouse thalamocortical pathway.

The group I metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) has been implicated in the development of cortical sensory maps. However, its precise roles in the synaptic function and plasticity of thalamocortical (TC) connections remain unknown. Here we first show that in mGluR5 knockout (KO) mice bred onto a C57BL6 background cytoarchitectonic differentiation into barrels is missing, but the representations for large whiskers are identifiable as clusters of TC afferents. The altered dendritic morphology of cortical layer IV spiny stellate neurons in mGluR5 KO mice implicates a role for mGluR5 in the dendritic morphogenesis of excitatory neurons. Next, in vivo single-unit recordings of whisker-evoked activity in mGluR5 KO adults demonstrated a preserved topographical organization of the whisker representation, but a significantly diminished temporal discrimination of center to surround whiskers in the responses of individual neurons. To evaluate synaptic function at TC synapses in mGluR5 KO mice, whole-cell voltage-clamp recording was conducted in acute TC brain slices prepared from postnatal day 4-11 mice. At mGluR5 KO TC synapses, N-methyl-D-aspartate (NMDA) currents decayed faster and synaptic strength was more easily reduced, but more difficult to strengthen by Hebbian-type pairing protocols, despite a normal developmental increase in alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR)-mediated currents and presynaptic function. We have therefore demonstrated that mGluR5 is required for synaptic function/plasticity at TC synapses as barrels are forming, and we propose that these functional alterations at the TC synapse are the basis of the abnormal anatomical and functional development of the somatosensory cortex in the mGluR5 KO mouse.

A study of the translational regulation exerted by some neuroactive substances on the expression of the monocarboxylate transporter MCT2 in cultured cortical neurons

Summary of the thesis Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate, and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood brain barrier as well as out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal form and little is known about the regulation of its expression. The neurotransmitter noradrenaline (NA) was shown previously to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here, we demonstrate that two other substances, namely, insulin and IGF-1 enhance MCT2 protein expression in cultured mouse cortical neurons in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. This result confirmed that MCT2 protein expression is translationally regulated and extend the observation to different types of neuroactive substances. Then we sought to determine by which signaling pathway(s) NA, insulin and IGF-1 can induce MCT2 protein expression. First, we observed by Western blot that all three substances cause activation of the MAP kinase ERK as well as the kinase Akt via their phosphorylation. Moreover, the mTOR/S6K pathway which is known to play an important role in translation initiation regulation was also strongly stimulated by all three substances. Second, we sought to determine the implication of these signaling pathways on the NA-, insulin- and IGF-1-induced enhancement of MCT2 protein expression and used specific inhibitors of these signaling pathways. We observed that the Pia kinase and mTOR inhibitors LY294002 and rapamycin respectively, strongly prevent the enhancement. of MCT2 expression caused by either NA, insulin ar IGF-1. In contrast, the MEK inhibitor PD98059 and the p38 MAP kinase inhibitor SB202190 had only a slight effect on the enhancement of MCT2 expression in all three cases. These results suggest that NA, insulin and IGF-1 regulate MCT2 protein expression by a common mechanism most likely involving the Akt/PKB pathway and translational activation via mTOR. In conclusion, considering the roles of NA, insulin and IGF-1 in synaptic plasticity, the tight translational regulation of MCT2 expression by these substances may represent a common mechanism through which supply of potentiated synapses with nonglucose energy substrates can be adapted to the level of activity. Résumé du travail de thèse Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergétiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famille de transporteurs spécifiques, protons-dépendants, appelés transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que le neurotransmetteur noradrénaline (NA) augmente l'expression de MCT2 dans les cultures de neurones corticaux de souris par le biais d'un mécanisme de régulation traductionnel. La présente étude nous a permis de démontrer que deux autres substances, l'insuline et 17GF-1, induisent une augmentation de la protéine MCT2 dans ces mêmes cultures selon un décours temporel et une gamme de concentrations particulière. Etonnamment, aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Ce résultat .confirme que la protéine MCT2 est régulée de manière traductionnelle et révèle que différentes substances neuro-actives peuvent réguler l'expression de MCT2. Compte tenu de ces observations, nous avons voulu déterminer par quelle(s) voie(s) de signalisation la NA, l'insuline et l'IGF-1 exercent leur effet sur l'expression de MCT2. Dans un premier temps, nous avons pu observer par Western blot que ces trois substances activent la MAP kinase ERK ainsi que la kinase Akt via leur phasphorylation. De plus, la voie mTOR/S6K, connue pour son implication dans la régulation de l'initiation de la traduction est aussi fortement activée par ces trois substances. Dans un second temps, nous avons voulu déterminer I implication de chacune de ces voies de signalisation dans l'augmentation de l'expression de la protéine MCT2 observée après stimulation à la NA, à l'insuline et à l'IGF-1. Pour ce faire, nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques de chacune de ces voies. (Vous avons observé que les inhibiteurs des voies PI3 kinase et mTOR (LY294002 et rapamycin respectivement), prévenaient fortement l'augmentation de l'expression de MCT2 induite par la NA, l'insuline ou (IGF-1. A l'inverse, les inhibitions de la MAP kinase .kinase MEK ainsi que de la MAP kinase p38 (par l'utilisation des inhibiteurs spécifiques PD98059 et SB202190 respectivement) n'ont eu qu'un léger effet dans ces mêmes conditions. Ces résultats suggèrent que la NA, 'l'insuline et I~GF-1 régulent l'expression de la protéine MCT2 par un mécanisme commun impliquant probablement la voie Akt/PKB et l'activation de la traduction via mTOR. En conclusion, considérant l'implication de la NA, de l'insuline et de I`IGF-1 dans la plasticité synaptique, le contrôle traductionnel étroit exercé par ces substances sur l'expression de MCT2 pourrait être un moyen d'alimenter en substrats énergétiques autres que le glucose les synapses activées et également d'adapter l'approvisionnement en substrats énergétiques au niveau d'activité. Résumé « grand public » Le cerveau est un organe qui réalise des tâches complexes nécessitant un apport important en énergie. La principale source d'énergie du cerveau est le glucose. Bien que le cerveau ne représente que 2% de la masse corporelle, il consomme à lui seul plus de 25% du glucose et 20% de l'oxygène provenant de la circulation sanguine. La nécessité d'un tel apport en énergie réside dans la nature -même du fonctionnement des milliards de neurones qui utilisent des signaux électriques et chimiques pour communiquer entre eux. Hormis l'utilisation massive du glucose comme source d'énergie, le cerveau est capable de consommer d'autres substrats énergétiques dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques. Les monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) font partie de ces autres sources d'énergie. Contrairement au glucose, les monocarboxylates ne diffusent pas facilement de la circulation sanguine vers les neurones. Afin de pouvoir être consommés par les neurones, ils doivent être transportés par un système adapté. Ce sont des transporteurs appelés transporteurs aux monocarboxylates ou MCT qui permettent le passage de ces substrats énergétiques du sang vers les neurones. Le but de ce travail de thèse a été de comprendre comment est régulée l'expression de MCT2, l'un de ces transporteurs exprimé spécifiquement à la surface des neurones. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que le neurotransmetteur noradrénaline ainsi que les hormones insuline et IGF-1 (insulinlike growth factor-1) sont capables d'induire une augmentation d'expression de MCT2 à la surface des neurones en culture. Nous avons ensuite voulu déterminer par quels mécanismes de signalisation ces substances agissent sur l'expression de MCT2. Nous avons pu observer que la surexpression de la protéine MCT2 est due à une augmentation d'activité traductionnelle (la traduction étant une des étapes qui permet la synthèse des protéines) induite par le biais d'une voie de signalisation particulière. En conclusion, lorsque la noradrénaline, l'insuline ou 17GF-1 agissent sur les neurones, la traduction de la protéine MCT2 est activée et on observe une augmentation de l'expression de MCT2. Ce mécanisme pourrait permettre d'augmenter l'apport énergétique au niveau des neurones en augmentant le nombre de transporteurs pour les substrats énergétiques que sont les monocarboxylates. D'un point de vue physiologique, cette régulation d'expression pourrait jouer un rôle primordial dans des situations d'apprentissage et de mémorisation. Sur le plan pathologique, cela pourrait permettre de prévenir les dommages causes aux neurones dans certains cas d'atteintes cérébrales.

Dynamic properties of human brain structure: learning-related changes in cortical areas and associated fiber connections.

Recent findings in neuroscience suggest that adult brain structure changes in response to environmental alterations and skill learning. Whereas much is known about structural changes after intensive practice for several months, little is known about the effects of single practice sessions on macroscopic brain structure and about progressive (dynamic) morphological alterations relative to improved task proficiency during learning for several weeks. Using T1-weighted and diffusion tensor imaging in humans, we demonstrate significant gray matter volume increases in frontal and parietal brain areas following only two sessions of practice in a complex whole-body balancing task. Gray matter volume increase in the prefrontal cortex correlated positively with subject's performance improvements during a 6 week learning period. Furthermore, we found that microstructural changes of fractional anisotropy in corresponding white matter regions followed the same temporal dynamic in relation to task performance. The results make clear how marginal alterations in our ever changing environment affect adult brain structure and elucidate the interrelated reorganization in cortical areas and associated fiber connections in correlation with improvements in task performance.

Learning-induced plasticity in auditory spatial representations revealed by electrical neuroimaging.

Auditory spatial representations are likely encoded at a population level within human auditory cortices. We investigated learning-induced plasticity of spatial discrimination in healthy subjects using auditory-evoked potentials (AEPs) and electrical neuroimaging analyses. Stimuli were 100 ms white-noise bursts lateralized with varying interaural time differences. In three experiments, plasticity was induced with 40 min of discrimination training. During training, accuracy significantly improved from near-chance levels to approximately 75%. Before and after training, AEPs were recorded to stimuli presented passively with a more medial sound lateralization outnumbering a more lateral one (7:1). In experiment 1, the same lateralizations were used for training and AEP sessions. Significant AEP modulations to the different lateralizations were evident only after training, indicative of a learning-induced mismatch negativity (MMN). More precisely, this MMN at 195-250 ms after stimulus onset followed from differences in the AEP topography to each stimulus position, indicative of changes in the underlying brain network. In experiment 2, mirror-symmetric locations were used for training and AEP sessions; no training-related AEP modulations or MMN were observed. In experiment 3, the discrimination of trained plus equidistant untrained separations was tested psychophysically before and 0, 6, 24, and 48 h after training. Learning-induced plasticity lasted <6 h, did not generalize to untrained lateralizations, and was not the simple result of strengthening the representation of the trained lateralizations. Thus, learning-induced plasticity of auditory spatial discrimination relies on spatial comparisons, rather than a spatial anchor or a general comparator. Furthermore, cortical auditory representations of space are dynamic and subject to rapid reorganization.

In vivo assessment of use-dependent brain plasticity--beyond the "one trick pony" imaging strategy.

This article has been written as a comment to Dr Thomas and Dr Baker's article "Teaching an adult brain new tricks: A critical review of evidence for training-dependent structural plasticity in humans". We deliberately expand on the key question about the biological substrates underlying use-dependent brain plasticity rather than reiterating the authors' main points of criticism already addressed in more general way by previous publications in the field. The focus here is on the following main issues: i) controversial brain plasticity findings in voxel-based morphometry studies are partially due to the strong dependency of the widely used T1-weighted imaging protocol on varying magnetic resonance contrast contributions; ii) novel concepts in statistical analysis allow one to directly infer topological specificity of structural brain changes associated with plasticity. We conclude that iii) voxel-based quantification of relaxometry derived parameter maps could provide a new perspective on use-dependent plasticity by characterisation of brain tissue property changes beyond the estimation of volume and cortical thickness changes. In the relevant sections we respond to the concerns raised by Dr Thomas and Dr Baker from the perspective of the proposed data acquisition and analysis strategy.

Neurophysiologic and proteomic investigations of experience-dependent plasticity in the somatosensory cortex of the adult mouse following chronic whisker stimulation

RESUME Les follicules des vibrisses des rongeurs sont représentés sous la forme d'une carte topographique dans le cortex à tonneaux. Lorsque un groupe de vibrisses est coupé pendant plusieurs jours chez un rongeur adulte, en laissant les autres vibrisses intactes, le champ réceptif des neurones du cortex à tonneaux est modifié, ce qui démontre que les cartes corticales sont plastiques. Dans notre étude, une expérience sensorielle a été induite chez une souris adulte se comportant librement en stimulant chroniquement une de ses vibrisses pendant 24h. Par une analyse des potentiels de champ locaux, nous démontrons que les caractéristiques spatiotemporelles du flux d'excitation évoqué par la vibrisse principale (VP) dans la colonne corticale correspondante à la vibrisse stimulée n'est pas altéré. Par contre, l'enregistrement des potentiels d'actions d'un total de 1041 neurones à travers le cortex à tonneaux révèlent plusieurs modifications de l'activité neuronale. L'activité spontanée ainsi que la réponse évoquée par la VP sont déprimées dans la colonne corticale stimulée (nombre moyen de potentiels d'action évoqués par la VP diminue de 25 % et 36% dans la couche IV et les couches II&III). La réponse des neurones à la vibrisse stimulée diminue également dans les colonnes corticales adjacentes, «non-stimulées». La dépression de l'activité spontanée et de la réponse à la VP est localisée à la colonne corticale stimulée. Dans le tonneau stimulé, la première partie de la réponse à la VP n'est pas affaiblie, démontrant que la dépression de la réponse n'est pas due à un phénomène de plasticité sous-corticale ou thalamocorticale. La stimulation chronique d'une vibrisse entraîne une augmentation du nombre de synapses GABAergiques dans la couche IV du tonneau correspondant (Knott et al, 2002). Dès lors, nos résultats suggèrent qu'une augmentation de l'inhibition dans le tonneau stimulé serait à l'origine de la diminution des potentiels d'action évoqués par la vibrisse stimulée et en conséquence de l'amplitude du flux d'excitation vers les couches II&III puis vers les colonnes corticales adjacentes. Toutes les réponses des neurones du tonneau stimulé ne sont pas déprimées. Les réponses des neurones à la vibrisse voisine caudale à VP diminuent dans la couche IV (42%) et dans les couches II&III (52%) mais pas les réponses aux 7 autres vibrisses voisines. Les entrées synaptiques en provenance de la vibrisse caudale pourraient avoir été spécifiquement déprimées en raison d'une décorrélation prolongée entre l'activité évoquée dans les chemins sensoriels relatifs à la vibrisse stimulée et à la vibrisse caudale, spécificité qui découlerait du fait que, parmi les vibrisses voisines à la VP, la vibrisse caudale génère les réponses les plus fortes dans la colonne corticale. Quatre jours après l'arrêt de la stimulation, l'activité neuronale n'est plus déprimée; au contraire, nous observons une potentiation des réponses à la VP dans la couche IV de la colonne corticale stimulée. De plus, nous montrons que l'expression des protéines GLT-1 et GLAST, deux transporteurs astrocytaires du glutamate, est augmentée de ~2.5 fois dans la colonne corticale stimulée, indiquant l'existence d'une «plasticité gliale» et suggérant que les cellules gliales participent activement à l'adaptation du cerveau à l'expérience. ABSTRACT In the barrel cortex, mystacial whisker follicles are represented in the form of a topographie map. The selective removal of a set of whiskers while sparing others for several days in an adult rodent alters receptive field of barrel cortex neurons, demonstrating experience-dependent plasticity of cortical maps. Here sensory experience was altered by chronic stimulation of a whisker for a 24h period in a freely behaving adult mouse. By means of an evoked local field potential analysis, we show that chronic stimulation does not alter the flow of excitation evoked by the principal whisker (PW) in the stimulated barrel column. However, the recording of neuronal firing from a total of 1041 single units throughout the barrel cortex reveals several changes in neuronal activity. Immediately after chronic stimulation, spontaneous activity as well as PW-responses are depressed in the stimulated barrel column (mean number of spikes per PW-deflection decreases by 25% and 36% in layer IV and layers II&III, respectively). Neuronal responses towards the chronically stimulated whisker are also significantly depressed in layers II&III of the adjacent "non-stimulated" barrel' columns. The depression of both spontaneous activity and PW-responses are restricted to the stimulated ban-el column. The earliest time epoch of the PW-response in the stimulated barrel is not depressed, demonstrating that the decrease of cortical responses is not due to subcortical or thalamocortical plasticity. The depression of PW-response in the stimulated barrel correlates with an increase in the number of GABAergic synapses in layer IV (Knott et al., 2002). Therefore, our results suggest that an increase in inhibition within the stimulated barrel may reduce its excitatory output and accordingly the flow of excitation towards layers and the subsequent horizontal spread into adjacent barrel columns. Not all responses of neurons in the stimulated barrel are depressed. Neuronal responses towards the caudal in-row whisker decrease by 42% in layer IV and 52% in layers MM but responses to the other 7 immediate surround whiskers (SWs) are not affected. The synaptic inputs from the SW that elicit the strongest responses in the stimulated barrel may have been specifically depressed following a prolonged period of diminished coherence between neuronal activity evoked in the pathways from the chronically stimulated whisker and from its surrounding in-row whisker. Four days after the cessation of the stimulation, depression of neuronal activity is no longer present; on the contrary, we observe a small but significant potentiation of PW-responses in layer IV of the stimulated barrel column. Moreover we show that the expression of astrocytic glutamate transporters GLT-1 and GLAST proteins were both upregulated by ~2.5 fold in the stimulated barrel column, which indicates that glial cells exhibit experience-dependent functional changes and could actively take part in the adaptation of the cerebral cortex to experience.

Sex differences in brain plasticity: a new hypothesis for sex ratio bias in autism.

Several observations support the hypothesis that differences in synaptic and regional cerebral plasticity between the sexes account for the high ratio of males to females in autism. First, males are more susceptible than females to perturbations in genes involved in synaptic plasticity. Second, sex-related differences in non-autistic brain structure and function are observed in highly variable regions, namely, the heteromodal associative cortices, and overlap with structural particularities and enhanced activity of perceptual associative regions in autistic individuals. Finally, functional cortical reallocations following brain lesions in non-autistic adults (for example, traumatic brain injury, multiple sclerosis) are sex-dependent. Interactions between genetic sex and hormones may therefore result in higher synaptic and consecutively regional plasticity in perceptual brain areas in males than in females. The onset of autism may largely involve mutations altering synaptic plasticity that create a plastic reaction affecting the most variable and sexually dimorphic brain regions. The sex ratio bias in autism may arise because males have a lower threshold than females for the development of this plastic reaction following a genetic or environmental event.

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.